Физики увидели полосы из вихрей в дипольном бозе-конденсате

Европейские физики впервые увидели квантовые вихри в дипольном бозе-конденсате, состоящем из атомов диспрозия. Для этого они раскрутили конденсат вращающимся магнитным полем. Ученые смогли подтвердить предсказанные ранее эффект, заключающийся в том, что вихри в таких конденсатах способны выстраиваться в полосы вдоль магнитного поля. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Вихревое поведение жидкостей или газов встречается на самых разных масштабах. Размеры вихрей могут простираться от самых микроскопических до планетарных. Вместе с тем в квантовом мире это явление тоже встречается, хотя и приобретает специфические черты.

Вихри играют особую роль в уникальной реакции сверхтекучих квантовых жидкостей на вращение. Если сверхтекучая среда, описываемая квантовомеханической волновой функцией, приводится во вращение, у нее нет иного выбора, кроме как перестроиться так, чтобы ее пронзил массив вихрей. При этом угловой момент частиц (электронов или атомов), вращающихся вокруг одного или нескольких вихрей, квантуется, то есть имеет дискретные значения.

Такие квантованные вихри впервые были обнаружены в сверхтекучем жидком гелии еще в середине прошлого века. Через полвека их стали активно исследовать в Бозе — Эйнштейновских конденсатах. Чаще всего такие фазы вещества создаются на базе щелочных атомов: рубидия, натрия, калия — поскольку атомы этой группы проще охлаждать и контролировать.

В последнее десятилетие, однако, начали появляться исследования, авторы которых собирают в конденсат атомы лантаноидов. Если щелочные атомы имеют малый магнитный момент и потому взаимодействуют через короткодействующие и изотропные силы Ван-дер-Ваальса, для лантаноидов характерно более дальнодействующее и анизотропное магнитное дипольное взаимодействие. Теоретические исследования квантовых вихрей в дипольном бозе-конденсате предсказывают множество необычных эффектов, поэтому силы многих экспериментальных групп направлены на реализацию этого явления.

Впервые это удалось сделать Лаурицу Клаусу (Lauritz Klaus) из Института квантовой оптики и квантовой информатики в Инсбруке и его коллегам из Австрии и Италии. Они сформировали в оптической ловушке конденсат в виде диска из примерно 20 тысяч атомов диспрозия и раскрутили его с помощью магнитного поля. Физикам не только удалось увидеть сами вихри, но и разглядеть, как они выстраиваются в полосы, что ранее предсказывали теоретики.

Особенность магнитного дипольного взаимодействия в том, что параллельно расположенные магнитики отталкиваются. Вместо этого они стремятся выстроиться в линию: северный полюс к южному. Это выражается в магнитострикции конденсата, то есть в деформации его формы под действием магнитного поля. Чтобы увидеть этот эффект, физики на три миллисекунды выключали ловушку и фотографировали тень конденсата. Еще одну фотографию они делали сбоку по истечении 26 миллисекунд, чтобы сосчитать число атомов.

Выравнивание магнитного поля вдоль оси диска немного деформировало конденсат, но оставляло его радиально-симметричным. Когда же физики наклоняли магнитное поле под углом 35 градусов к оси, конденсат вытягивался вслед за ним. Ученые использовали этот факт, чтобы заставить конденсат вращаться, раскручивая наклоненное поле вокруг оси.

При малых угловых скоростях вращения, конденсат сильнее вытягивался, но следовал за полем и вихрей не создавал. Но начиная с некоторого порогового значения скорости, вихри начинали появляться на краю конденсата и постепенно перемещались к его центру. Сама форма атомного облака при этом возвращалась к радиально-симметричной. Чтобы считать вихри на фотографиях, физики применяли к ним гауссово размытие, после чего вычитали результат из оригинального изображения. Локальные минимумы глубже некоторого порога свидетельствовали об образовании вихрей.

Теория предсказывает, что по мере релаксации вихри в конденсате должны выстраиваться в полосатую упорядоченную структуру вдоль силовых линий магнитного поля. К сожалению, время жизни атомов в конденсате было меньше, чем время релаксации. Несмотря на это, физики смогли увидеть образование полос в конденсате. Для этого авторы слегка уменьшили амплитуду магнитного поля, чтобы сократить длину рассеяния в газе, а также зафиксировали его под определенным углом на этапе времяпролетного измерения. Наличие устойчивого полосатого порядка подтвердил Фурье-анализ теней, усредненный по нескольким фотографиями.

Увиденная полосатая структура возникает в однокомпонентном дипольном конденсате, то есть в газе, состоящем из частиц одного сорта. Если бы он был двухкомпонентным, там можно было бы увидеть более сложные фигуры, напоминающие лягушек или грибы. Во всяком случае, это следует из результатов моделирования, про которое мы рассказывали ранее.