Бозе-конденсат поможет проверить эффект Унру

Физики предложили использовать квантовый симулятор для воссоздания эффекта Унру. Они показали, что его возникновение теоретически возможно в системе из конденсата Бозе — Эйнштейна и лазерных пучков. Если предложенный эксперимент удастся реализовать, то в споре о существовании эффекта Унру можно будет поставить точку. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Суть эффекта Унру состоит в том, что в разных системах отсчета вакуум представляет собой разные состояния. Если наблюдатель двигается в вакууме с большим ускорением, то он может наблюдать рождение частиц, температура которых зависит от величины его собственного ускорения. При этом покоящийся наблюдатель не увидит никаких частиц. Подробнее об этом эффекте и его связи с излучением Хокинга мы писали в материале «Что общего между излучением Хокинга и эффектом Унру?». Эффект Унру контринтуитивен и вызывает скепсис ученых, поэтому вопрос о его проверке становится все более привлекательным для экспериментаторов. С другой стороны, для наблюдения эффекта Унру требуются ускорения порядка 10²⁶ метров в секунду в квадрате, что очень сложно реализовать в лаборатории.

Успехи в моделировании таких сложных релятивистских эффектов квантовой теории поля демонстрируют квантовые симуляторы. Они позволили впервые наблюдать такие фундаментальные явления как излучение Хокинга от аналога черной дыры или динамический эффект Казимира.

Теперь ученые из университета Ноттингема под руководством Силке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) предложили использовать квантовый симулятор для проверки эффекта Унру. Они взяли за основу конденсат Бозе — Эйнштейна, на который направляли лазерные пучки в разных режимах.

Идея эксперимента заключается в том, что бозе-конденсат при нулевой температуре представляет собой вакуум для квазичастиц-фононов, поэтому их поведение при рассмотрении равноускоренных систем отсчета может быть связано с эффектом Унру. Авторы предлагают пропускать через охлажденное облако конденсата лазерный пучок и следить за возникающими в нем возмущениями. Важно, что детектировать такие слабые возмущения возможно, только если исключить или значительно сократить влияние самого лазерного пучка на бозе-конденсат. Для этого ученые предлагают использовать сразу два пучка с частотами, отстроенными от резонанса атомов конденсата в разных направлениях. Кроме выигрыша в чувствительности, два луча с разными частотами, которые двигаются по одному и тому же оптическому пути, образуют интерферометр и любые флуктуации вакуума (бозе-конденсата) можно будет задетектировать. К ним будет чувствителен фазовый сдвиг двух этих пучков.

При прямолинейном пропускании пучков через облако бозе-конденсата ученые не предсказывают возникновения флуктуаций вакуума. Для их возбуждения они планируют вращать лучи равноускоренно по окружности внутри конденсата и следить за их разностью фаз с помощью фотодетекторов.

Физики показали, что теоретическое описание их эксперимента соответствует модели, которая лежит в основе эффекта Унру, поэтому сейчас они работают над улучшением технических характеристик схемы и в будущем планируют реализовать эксперимент на ее основе. Тем не менее в текущем виде схему можно использовать для экспериментов с другими квантовыми системами (например, сверхтекучим гелием).

Пока авторы ломали голову над тем, как реализовать эксперимент по проверке эффекта Унру, физики-теоретики из Польши, США и Канады показали, что массивные частицы эффекта Унру не получится увидеть напрямую.

Оксана Борзенкова