Физики впервые увидели квантовый бумеранг в эксперименте
Физики сообщили о первом экспериментальном подтверждении эффекта квантового бумеранга. Они показали, что средний импульс атомов в изначально покоящемся бозе-эйнштейновском конденсате возвращается к нулю после серии периодических воздействий оптическими решетками. Как и предсказывала теория, эффект сохраняется только тогда, когда в системе есть симметрии относительно отражения и инверсии времени. Исследование опубликовано в Physical Review X.
Про дифракцию чаще всего говорят тогда, когда волна падает на среду, в которой присутствует какой-либо порядок. Например, периодически расположенные щели формируют дифракционную решетку для света. Другой пример — это дифракция электронов на периодической кристаллической решетке. Последнее лежит в основе зонной теории твердых тел, определяя весь набор разрешенных и запрещенных энергетических состояний электронов в кристаллах.
В середине прошлого века Андерсон показал, что наличие беспорядка в кристаллической решетке способно при определенных условиях локализовывать электроны. В основе этого явления лежит деструктивная интерференция между множеством путей рассеяния электронной волновой функции. Явление имеет универсальный волновой характер, поэтому впоследствии оно было обнаружено также для света, звука и волн атомной материи.
Локализация Андерсона обычно описывается на языке стационарных состояний, то есть состояний, не зависящих от времени. Когда физики попытались теоретически исследовать динамику волн в таких условиях, они выяснили, что при этом может возникнуть эффект квантового бумеранга. Суть эффекта в том, что, если в системе с симметрией относительно инверсии времени придать волновому пакету некоторый импульс, то вскоре он вернется в исходное состояние. До недавнего времени квантовый бумеранг оставался лишь теоретической концепцией.
Группа физиков из Бразилии, США и Франции под руководством Дэвида Велда (David Weld) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщили о первом экспериментальном наблюдении эффекта квантового бумеранга в бозе-эйнштейновском конденсате. Ученые воздействовали на атомное облако последовательностью оптических решеток, эмулируя частицу, находящуюся в квазиодномерных хаотических условиях, и наблюдали за тем, как ее состояние за счет локализации Андерсона в импульсном пространстве возвращается в исходное после толчка.
Исследования по теории хаоса часто опираются на простейшую модель ротатора, подверженного периодическим толчкам. Эта модель описывает частицу, бегающую по кольцу, либо вращающийся стержень, на которые периодически воздействует короткая по длительности (в идеале с зависимостью от времени в виде дельта-функции) сила фиксированного направления. За исключением ряда частных случаев динамика такого ротатора становится сложной, а зависимость воздействия от координаты — случайной величиной. По этой причине квантовая версия ротатора, подверженного толчкам, стала отправной точкой для исследования эффекта квантового бумеранга.
Для воспроизведения квантового ротатора в эксперименте, физики выбрали в качестве платформы конденсат Бозе — Эйнштейна, состоящий из 100 тысяч атомов лития, локализованных в минимумах оптической решетки с длиной волны 532 нанометра. Протокол состоял в резком выключении этой решетки и периодическом и коротком наведении аналогичной решетки, но смещенной в пространстве на четверть периода. Это позволило эмулировать толкаемый квантовый ротатор, так как гамильтониан атома периодически зависел от координаты и совпадал с таковым для модели ротатора.
Авторы повторяли протокол, с каждым разом увеличивая число толчков, и измеряли средний импульс атомов по времени их свободного пролета после выключения лазера. В результате они увидели, что первое время конденсат приобретает значительный импульс, но последующие толчки постепенно возвращают его в состояние покоя. Увиденное поведение оказалось в хорошем согласии с численными симуляциями.
Физики также убедились, что эффект квантового бумеранга исчезает, если в системе пропадает симметрия относительно отражения и относительно инверсии времени. Для проверки первого они нужным образом создавали несимметричное начальное состояние конденсата, для проверки второго — случайно нарушали периодичность толчков. В обоих случаях средний импульс не стремился к нулю с ростом числа толчков.
Теория квантового хаоса позволяет взглянуть на известные процессы под новыми углами. Так, например, оказалось, что хаотические квантовые системы невозможно охладить до абсолютного нуля.
Марат Хамадеев
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.
