Физики применили материально-волновую лупу к квантовому газу
Немецкие физики предложили новый подход к оптической визуализации квантовых холодных газов, запертых в оптических решетках. Он заключается в пропорциональном расширении ансамбля атомов с помощью дополнительного потенциала почти в сто раз, что делает его доступным для изучения обычными оптическими методами. Авторы исследования, опубликованного в Nature, назвали этот метод материально-волновой лупой.
Холодные квантовые газы играют очень важную роль в понимании фундаментальной физики. Для их эффективного охлаждения и точной манипуляции ученые помещают атомы в оптические ловушки, сформированные пересекающимися лазерными лучами. Такие структуры позволяют подтверждать разнообразные теоретические эффекты и выступать в роли квантовых симуляторов.
Для оптической визуализации ультрахолодных атомов физики применяют разнообразные техники квантовогазовой микроскопии. Из-за фундаментальных ограничений они позволяют увидеть только двумерные структуры, чей масштаб больше, чем дифракционный предел. Эти трудности можно обойти с помощью электронных или ионных микроскопов ценой низкой эффективности обнаружения и большой аппаратной сложности.
Физики из Гамбургского университета при участии Клауса Зенгштока (Klaus Sengstock) придумали другой способ решения этой проблемы, который они назвали материально-волновой лупой. Идея метода заключается в увеличении не изображения объекта, а самого объекта. Чтобы применить его к холодным газам, запертым в оптических решетках, авторы ненадолго выключали их, одновременно прикладывая разгоняющий потенциал, такой, что импульс атома оказывался зависящим от его начального положения. Иными словами, чем дальше от центра находился атом, тем большее расстояние он пролетал. Через какое-то время физики снова включали ловушки и изучали расширенный газ уже обычными оптическими методами.
В качестве объекта для увеличения ученые использовали бозе-конденсат атомов рубидия, который охлаждался испарением в магнитной ловушке. Ее потенциал они в дальнейшем использовали для разгона атомов благодаря его непрерывности, радиальной симметрии и высокой частоте пленения (до 700 герц). Дополнительно физики формировали лазерами двумерные оптические решетки в форме сот и треугольников, что разбивало атомы на массивы одномерных конденсатов с постоянной решетки, равной 709 нанометрам. После этого авторы запускали протокол увеличения. Для времени воздействия разгоняющего потенциала, равного 0,36 миллисекунды, и времени свободного полета атомов, равного 20 миллисекундам, им удалось достичь увеличения решетки, равного 93(1). Для визуализации увеличенных решеток, физики измеряли оптическое поглощение с помощью цифровой камеры и двукратного увеличения.
Исследователи продемонстрировали несколько интересных техник, которые становятся возможными с помощью материально-волнового линзирования. Сначала они изучили то, как в таких решетках происходит бозе-конденсация. Для этого они измеряли радиальное распределение атомов по ячейкам решетки. Это распределение носило бимодальный характер и состояло из сконденсированных и несконденсированных атомов. Для последних характерно отталкивание, из-за чего их плотность имеет определенный порог. Подгоняя эти кривые с помощью простых двухкомпонентных моделей, физики с высокой точностью могли определять температуру атомов.
Другим интересным эффектом стала возможность селективно воздействовать на узлы решетки с помощью методов магнитного резонанса. Для этого физики создавали градиент магнитного поля. Адресуя энергию отдельным узлам, они выталкивали оттуда атомы, полностью их очищая. Таким способом авторы «вырезали» в решетке разнообразные фигуры: кольца, линии и так далее. Они также исследовали то, как происходит релаксация атомной плотности в образовавшиеся пустоты. Похожий процесс физики исследовали, вырезав треугольную подрешетку в сотовой решетке.
Ученые надеются, что предложенный ими метод позволит исследовать явления переноса, спонтанное образование доменов и топологические эффекты в ультрахолодных газах. Они также предложили ряд усовершенствований, чтобы увеличить пространственное разрешение.
Будучи квантовыми симуляторами, оптические решетки с ультрахолодными атомами регулярно воспроизводят или открывают для изучения эффекты, к которым у физиков не было доступа в обычных твердых телах. Мы уже рассказывали, как там увидели осцилляции Блоха и как смоделировали звуковую волну.
Марат Хамадеев
ST-40 построен частной британской компанией
Американские и британские физики установили рекорд по достигнутой ионной температуре плазмы в сферических токамаках, который оказался сравним с температурой плазмы в будущем термоядерном реакторе ITER. Рекорд установлен на небольшом частном сферомаке ST40 и доказывает перспективность установок такого типа для работ в области термоядерной энергетики. Статья опубликована в журнале Nuclear Fusion. Сферические токамаки (сферомаки) представляют собой разновидность токамаков — магнитных ловушек, в которых шнур из высокотемпературной плазмы в виде тора, где идут реакции слияния ядер дейтерия и трития, удерживается внутри вакуумной камеры мощными магнитными полями, которые не дают ему коснуться стенок камеры. Однако, в отличие от обычных токамаков у сферомаков меньшее аспектное отношение (отношение большого радиуса тора к малому), которое близко к единице. Считается, что плазма в таких установках может удерживаться дольше и стабильнее, при этом не требуется создавать установку огромных размеров, как экспериментальные реакторы-токамаки ITER или DEMO. Особенно интересны сферомаки в контексте использования в их магнитной системе высокотемпературных сверхпроводников. Но необходимо решить множество физических и инженерных проблем, прежде чем удостовериться, что сферомаки можно рассматривать в качестве перспективных термоядерных реакторов. ST40 — один из действующих экспериментальных сферомаков. Этот компактный токамак был построен частной британской компанией Tokamak Energy и получил первую плазму в 2017 году. Сферомак оснащен вакуумной камерой из нержавеющей стали и сверхпроводящими тороидальными магнитными катушками. Он характеризуется аспектным отношением 1,6–1,9, большим радиусом плазмы 0,4–0,5 метра, током плазмы в диапазоне 0,4–0,8 мегаампер и осевым тороидальным магнитным полем 1,5–2,2 Тесла. Зажигание разряда инициируется за счет компрессии и магнитного пересоединения, без центрального соленоида, который служит для дальнейшего нагрева плазмы. Дополнительный нагрев плазмы обеспечивается двумя системами инжекции высокоэнергетичных нейтральных частиц дейтерия в плазменный шнур. Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ок-Риджской национальной лаборатории и Tokamak Energy во главе со Стивеном Макнамарой (Steven A.M. McNamara) сообщили, что достигли рекордно большой для всех сферомаков температуры ионов дейтерия, которая составила 8,6 килоэлектронвольт в центре плазменного шнура. Объем плазмы во время эксперимента составлял 0,9 кубического метра, ток плазмы — 0,6 мегаампер, время жизни разряда — чуть менее 0,15 секунды, а тороидальное магнитное поле — 1,9 Тесла. Максимальная электронная плотность плазмы составила 4,5×1019 частиц в кубическом метре, усредненная, которая поддерживалась во время импульса — 4×1019 частиц в кубическом метре. Достигнутая температура ионов стала самой высокой для сферомаков или токамаков сопоставимых размеров, похожие температуры достигались только на более крупных установках. Для сравнения — в проекте международного термоядерного реактора ITER предполагается достижение ионной температуры в 8 и выше килоэлектронвольт, однако время горения разряда там должно составить около 400 секунд, правда сам реактор гораздо больше по размерам, чем ST-40. Значение тройного термоядерного произведения (температура на плотность плазмы на время удержания энергии, выступает как аналог критерия Лоуссона) для ST-40 составило 6×1018 килоэлектронвольт на секунду, деленное на кубический метр. Результаты экспериментов показывают, что высокие температуры действительно могут быть получены в небольших по размерам сферомаках с сильным магнитным полем. Tokamak Energy надеется, что сможет в середине 2020-х годов ввести в эксплуатацию новый сферомак ST-HTS, который будет оснащен магнитной системой, использующей высокотемпературные сверхпроводники. Ранее мы рассказывали о том, как российские физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке «Глобус-М2».