Это случилось через год после того, как они же подтвердили его подавление в газе фермионов
Американские физики экспериментально подтвердили эффект бозонного стимулированного светорассеяния, предсказанный более 30 лет назад. Для этого они считали количество рассеянных фотонов газом атомов-бозонов, находящимся в оптической ловушке вблизи температуры образования бозе-конденсата. Работу провела та же группа ученых, что год назад обнаружила противоположный эффект — блокировку рассеяния в газе фермионов. Исследование опубликовано в Nature Physics.
В классической физике и описываемом ею повседневном опыте перестановка местами двух абсолютно одинаковых объектов не имеет последствий. В квантовой механике это немного не так. Элементарные частицы и атомы действительно могут быть тождественными, и при их перестановке местами волновая функция системы может поменять знак. И хотя это никак не сказывается на полной энергии системы, а также всех физических величинах, характеризующих ее состояние, такое изменение сказывается на ее статистических свойствах. Сейчас мы знаем, что частицы, перестановка которых меняет знак, называются фермионами, а которых не меняет — бозонами.
Важнейшим следствием перестановочных свойств фермионов стал принцип запрета Паули, который запрещает двум фермионам находиться в одинаковых состояниях. Из-за этого нуклоны в ядрах и электроны в атомах вынуждены последовательно заполнять свободные орбиты, формируя материю в том виде, в котором мы ее знаем.
Разница в статистиках начинает проявлять себя на макроскопических масштабах по мере охлаждения газа из тождественных частиц. Потеря тепла сопровождается стремлением частиц занимать наименьшие уровни, соответствующие движению с некоторым импульсом. Все бозоны способны уместиться на одном уровне. Более того, они тем охотнее это делают, чем больше частиц уже на нем находятся. При этом физики говорят об индуцированном (стимулированном, вынужденном) выпадении частиц в конденсат Бозе — Эйнштейна. Этот процесс аналогичен вынужденному излучению фотонов (тоже бозонов) во время работы лазера.
Фермионы же, напротив, испытывают эффективное отталкивание в пространстве состояний (импульсов). В результате конкуренции этого отталкивания и охлаждения они упаковываются в импульсную сферу Ферми с образованием вырожденного ферми-газа. Такая конфигурация подавляет отдачу, которую могли бы приобрести фермионы в результате каких-либо столкновений, поскольку конечное состояние этого процесса с большой вероятностью оказывается занято. Этот эффект для рассеяния света был предсказан около 30 лет назад и подтвержден экспериментально лишь недавно сразу тремя группами.
Для бозонов светорассеяние также изменится. Согласно эффекту бозонного стимулирования, они, напротив, должны охотнее рассеивать свет таким образом, чтобы перейти к общему основному состоянию. Это явление было предсказано примерно в то же время, что и паулевская блокировка светорассеяния, однако, соответствующее увеличение интенсивности излучения до недавнего времени никто не наблюдал.
Это удалось сделать небольшой группе физиков из Массачусетского технологического института при участии Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) — пионера в области квантовых газов, чья команда была одной из трех групп, увидевших блокировку Паули. Для этого авторы считали фотоны, рассеянные холодным газом атомов-бозонов, при различных температурах и импульсах отдачи. Эксперимент проходил в условиях, в которых можно было пренебречь прочими эффектами: диполь-дипольным взаимодействием, сверхизлучением, множественными рассеяниями и так далее.
Рассеяние света на холодном бозонном газе протекает через два конкурирующих процесса. В одном из них конечное (после отдачи) состояние атома относится к тепловому (несконденсированному газу), а во втором — к конденсированному. При температурах выше критической основная часть атомов имеет тепловую статистику. По мере ее уменьшения растет плотность состояний в фазовом пространстве, и рассеяние, соответствующее такому переходу, увеличивается. С другой стороны, с ростом температуры число тепловых атомов, рассеивающих свет, уменьшается за счет конденсации, поэтому ниже некоторой температуры этот фактор подавляет рассеяние.
Физики построили количественную модель этого процесса и проверили ее в эксперименте. Они захватывали в оптическую ловушку газ, состоящий из примерно 400 тысяч атомов натрия, подготовленных в одном сверхтонком состоянии. Измеряя рассеяние света при различных плотностях облака, близости к критической температуре и импульсах отдачи, авторы увидели его характерное увеличение. Ученые также зафиксировали подавление этого процесса для сконденсированных атомов.
Примечательно, что физики из команды Кеттерле назвали свою работу первым в истории наблюдением стимулированного светорассеяния в бозонном газе, хотя подобное уже утверждали авторы статьи, опубликованной в 2016 году. Они делали свои выводы, основываясь на потере атомов, вызванной оптической накачкой (то есть возбуждением внутренних атомных состояний). Авторы новой статьи указывают на ошибочность такого подхода. Они показали, что усиление возникает только при рэлеевском рассеянии, в то время как рассеяние, сопровождаемое изменением электронной конфигурации атома (рамановское), ему не подвержено.
Группа нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле не впервые радует нас интересными квантовыми эффектами в холодных газах. Помимо уже упомянутой паулевской блокировки рассеяния он приложил руку к исследованию бозе-конденсата с фрактальным спектром, сверхтекучести в твердом теле и экранирования молекул с помощью микроволн.