Физики из Китая и США смогли независимо измерить свойства зарядовых и спиновых волн в одномерной ферми-жидкости, состоящей из атомов лития-6, запертых в оптических ловушках. Они смогли подтвердить спин-зарядовое (спин-плотностное в случае нейтральных атомов) разделение, предсказанное теорией более полувека назад. Исследование опубликовано в Science.
Львиную долю интереса в физике конденсированного состояния представляет изучение разнообразных элементарных возбуждений. Это могут быть волны атомных колебаний (фононы), спиновые волны (магноны), возбуждения электронных вакансий (дырок) и так далее. В строгом смысле даже элементарное возбуждение в твердом теле — это процесс, в котором принимает участие множество тел, а потому их невозможно описать из первых принципов. Вместо этого крайне плодотворным оказался подход, основанный на квазичастицах — эмерджентных объектах, описываемых таким образом, чтобы учесть все нюансы возбуждений в твердых или жидких телах. Подробнее о квазичастицах мы рассказывали в материале «Зоопарк квазичастиц».
Квазичастицами становятся даже фотоны в стекле (они превращаются в поляритоны) и электроны в кристаллах (электрон проводимости). Точно такой же подход применяется и к описанию ферми-жидкостей (холодных электронов, гелия-3): в этом случае фермионы заменяются квазичастицами, которые включают в себя взаимодействия с соседями. Новые квазичастицы остаются фермионами.
Последнее нарушается, когда все частицы в жидкости могут распространяться только вдоль одного из направлений. Теория Томонаги — Латтинжера (иногда просто Латтинжера) предсказывает, что в одномерных квантовых жидкостях (жидкостях Латтинжера) характер низкоэнергетических элементарных возбуждений меняется, и они становятся бозонами. Другим интересным следствием теории стала возможность того, что волны плотности частиц (в случае одномерной электронной жидкости речь идет о волнах зарядовой плотности, поэтому этот термин закрепился даже для нейтральных фермионов) и волны спиновых переворотов имеют различные скорости, и потому способны расщепиться.
Подробная проверка теории Латтинжера стала возможной благодаря прогрессу в области охлаждения и пленения атомов в оптических ловушках. Ультрахолодные атомы играют роль частиц квантовой жидкости, а их статистика определяется суммарным спином всего атома, следовательно, она меняется от изотопа к изотопу. Например, Бин Ян с коллегами использовали атомы рубидия-87, чтобы получить бозонную жидкость Латтинжера. А физики из США и Швейцарии под руководством Рэндалла Хьюлета (Randy Hulet) из Университета Райса охладили газ атомов лития-6, которые обладают фермионной статистикой. Несмотря на подробное исследование зарядовых волн, которое подтвердило теорию Латтинжера, ученые не смогли увидеть их движение отдельно от волн спина.
На этот раз та же группа физиков вместе со своими коллегами из Китая убедилась, что спиновые и зарядовые возбуждения действительно распространяются отдельно в одномерной квантовой жидкости. Эта разница выражена тем сильнее, чем сильнее отталкивание между фермионами. Чтобы заставить нейтральные атомы отталкиваться, ученые выстраивали их в одномерной ловушке в антиферромагнитном порядке (то есть направление спинов атомов поочередно менялось), а затем прикладывали слабое магнитное поле, чтобы вызвать между ними резонанс Фешбаха. Меняя магнитное поле, они меняли длину рассеяния, характеризующую силу отталкивания.
Для измерения зарядовых и спиновых волн по отдельности, авторы использовали брэгговскую спектроскопию. Она заключалась в специфичном возбуждении атомных колебаний с последующим времяпролетным фотографированием атомного облака. Если та или иная волна приобретает большой импульс, это выражается в большем числе атомов, отлетевших от основной части облака после выключения оптической ловушки.
Основная идея раздельного возбуждения зарядовых и спиновых волн основана на различном отклике атомных состояний на отстроенные от резонанса лазерные лучи. В этом случае на атом действует сила, зависящая от того, в какую сторону, красную или синюю, отстроена частота. Если для пары уровней с противоположными спинами это направление одинаково, соседние атомы сместятся в одну сторону. Если же луч настроен ровно на середину между уровнями, то для разных атомов сила будет действовать в разных направлениях. Эти сценарии отвечают возбуждению зарядовых и спиновых волн, соответственно.
В отличие от предыдущего исследования физики использовали другие уровни атомов лития. Вместе с правильной настройкой углов падения лучей на массив атомов это позволило существенно уменьшить спонтанное некогерентное рассеяние, помешавшее им ранее увидеть сигнал от спиновых волн. Увеличивая взаимодействие между атомами, авторы убедились, что разница в передаваемых импульсах зарядовым и спиновым волнам также растет. Полученные результаты оказались в количественном согласии с нелинейной модификацией теории Латтинжера.
Совсем недавно мы рассказывали про исследование бозонной одномерной жидкости Латтинжера в совершенно иных средах. В нем физики загоняли жидкий гелий в нанопоры.
Марат Хамадеев