Физики из Франции экспериментально реализовали переход конденсата Бозе — Эйнштейна атомов натрия во фрагментированное состояние. Для доказательства фрагментированности исследователи восстанавливали одно-, двух- и многочастичные матрицы плотности путем адресной манипуляции и измерения состояний отдельных атомов. Работа опубликована в Science.
Главное отличие бозонов от фермионов заключается в том, что, согласно законам квантовой механики, первые могут занимать одно и то же состояние. Это приводит к тому, что при понижении температуры бозоны стремятся занять наинизшее состояние из возможных, образуя бозе-конденсат. Таким образом, конденсат Бозе — Эйнштейна можно рассматривать как единый квантовый объект, описываемый общей волновой функцией, что делает его крайне интересным объектом для изучения.
Вместе с тем физиков с недавнего времени стал интересовать более сложный вариант бозе-конденсата, названный фрагментированным, в котором квантовое состояние описывается с помощью запутанности двух или более одночастичных состояний. При этом результаты измерений свойств отдельных частиц такого конденсата описываются смешанными состояниями, в то время как измерение его коллективных свойств демонстрирует практически чистые состояния. Такое состояние недоступно с помощью прямого охлаждения и потому крайне слабо экспериментально изучено.
Несмотря на эти трудности Фабрис Жербье (Fabrice Gerbier) из университета Сорбонны с коллегами нашли способ, как перевести в состояние фрагментированного бозе-конденсата систему из атомов со спином, равным единице, в оптической ловушке. Для этого они реализовали экспериментальный протокол, который включал в себя манипуляции с конденсатом, приготовленным в одночастичном состоянии. Все атомы в нем обладают нулевой проекцией своего спина на ось z, ms=0 (полярное состояние). Оно на самом деле находится немного выше по энергии, чем состояние, при котором спины атомов попарно выстроены в противоположных направлениях (ms=+1) + (ms= —1) (антиферромагнитное состояние), однако сильная конденсация объединяет спины атомов в суммарный спиновый момент S, чье нулевое значение соответствует наименьшему состоянию энергии конденсата.
Чтобы получить доступ к антиферромагнитному состоянию, физики предложили наложить на систему достаточно сильное магнитное поле. В этом случае из-за квадратичного эффекта Зеемана полярное состояние становится истинно наинизшим, однако индивидуальные межатомные взаимодействия становятся доминирующими. В таком режиме начинают происходить квантовые флуктуации с сохранением намагниченности (то есть, суммы ms всех атомов). При постепенном ослаблении магнитного поля флуктуации перераспределяют проекции спинов по всем атомам в примерно равных пропорциях, в то время как суммарный спиновый момент сохраняется нулевым (или единичным в случае нечетного числа атомов).
Для реализации этого протокола физики приготовили конденсат из ста атомов натрия, запертых в оптических ловушках с высокой жесткостью, чтобы степени свободы, связанные с движением атомов, не влияли на эксперимент. На этапе постепенного выключения поля они контролировали населенности на каждом спиновом подуровне с разрешением в 1,2 атома с помощью комбинации разделения Штерна — Герлаха с флуоресцентной визуализацией. Результаты такого контроля совпали с численной симуляцией, учитывающей случайные декогерирующие процессы.
Однако главным измерением, проделанным учеными, стала визуализация одно- и двухчастичных матриц плотности всех атомов и полной матрицы плотности всего конденсата. Коэффициенты матриц восстанавливались путем адресного воздействия на все атомы постоянным магнитным и резонансным радиочастотным полями с последующим измерением спина. Эти измерения подтвердили исходную концепцию о том, что состояния отдельных атомов описываются с помощью почти однородной смеси состояний, в то время как конденсат в целом демонстрирует сильные корреляции и очень низкую энтропию.
В заключении авторы предполагают, что предложенный ими протокол может быть использован и для случая, когда будет наблюдаться обмен энергии между спиновыми и пространственными степенями свободы. В этом случае они ожидают возникновение новых, ранее не исследованных фаз вещества. В качестве примера физики приводят моттовский изолятор, который может быть более устойчивым ко внешнему воздействию.
Исследователи регулярно помещают конденсат Бозе — Эйнштейна в новые условия. Недавно мы рассказывали, как его смешали с вырожденным ферми-газом и даже отправили на МКС.
Марат Хамадеев