Квантовий експеримент виявляє, що частинки можуть утворювати колективи майже з нічого

 

Фото / sciencealert.com

Скільки частинок потрібно, перш ніж окремі атоми почнуть поводитися колективно? Згідно з новими дослідженнями, їх кількість неймовірно низька. Уже шість атомів почнуть переходити в макроскопічну систему за належних умов.

• Що дозволяє фізика мандрівникам у часі

• Геотермальна енергія: загальна характеристика

Використовуючи спеціально розроблену ультрахолодну лазерну пастку, фізики спостерігали квантовий попередник переходу від нормальної до надфлюїдної фази, пропонуючи спосіб вивчити появу колективної атомної поведінки та межі макроскопічних систем.

Фізика багатьох тіл - це область, яка прагне описати та зрозуміти колективну поведінку великої кількості частинок: відро води, наприклад, або каністру з газом. Ми можемо описати ці речовини з точки зору їх щільності або температури - способу дії речовини в цілому.

Вони називаються макроскопічними системами чи системами багатьох тіл, і ми не можемо зрозуміти їх, просто вивчивши поведінку окремих атомів або молекул. Швидше, їх поведінка виникає внаслідок взаємодії між частинками, які окремо не мають однакових властивостей системи в цілому.

Деякі приклади макроскопічної поведінки, яку неможливо описати мікроскопічно, включають колективні збудження, такі як фонони, що коливають атоми в кристалічній решітці. Фазові переходи є ще одним прикладом - коли речовина переходить з однієї фази в іншу - наприклад, коли лід, наприклад, плавиться в рідину або коли рідина випаровується в газ.

Фізики давно прагнули зрозуміти, як ця колективна поведінка виникає з окремих частинок, які поступово зближуються - як макроскопічна виникає з мікроскопічної.

Тож команда дослідників з Гейдельберзького університету розробила експеримент, щоб спробувати це з’ясувати.

Експеримент складався з щільно сфокусованого лазерного променя, який виконував роль «пастки» для надхолодних атомів стабільного ізотопу літію, який називається літієм-6. Охолоджуючись у газі до частки градуса вище абсолютного нуля, цей ферміонний ізотоп може поводитися як надрідка рідина з нульовою в'язкістю.

В лазерній пастці може утримуватися дуже мала кількість атомів літію, що фактично стає симулятором квантової поведінки. В рамках цієї системи команда могла налаштувати взаємодію між атомами за допомогою резонансів Фешбаха.

Ці резонанси виникають, коли енергія двох взаємодіючих атомів переходить у резонанс із молекулярно зв’язаним станом, і їх можна використовувати для зміни сили взаємодії між частинками.

У кожному експерименті команда вводила до двох, шести або 12 атомів літію-6 в лазерну пастку, дозволяючи дослідникам спостерігати, коли атоми починають поводитися колективно.

"З одного боку, кількість частинок у системі досить мала, щоб мікроскопічно описати систему", - пояснив провідний дослідник Лука Байха. "З іншого боку, колективні ефекти вже очевидні".

З атомами всередині, дослідники налаштували пастку, від нульового притягання до такого сильного притягання, що атоми об’єдналися зв’язаними парами. Це вимога для утворення ферміонної надрідкої рідини - ферміонні частинки повинні зв’язуватися між собою як пари Купера, які діють як бозони, більш важка частинка, яка утворює надрідку фазу при більш високих температурах, ніж ферміони.

У кожному експерименті команда вивчала, коли виникає колективна поведінка на основі кількості частинок та сили взаємодії між ними. Вони виявили, що збудження частинок були пов'язані не тільки з силою притягання між ними, але й тим, що вони є попередником кількох тіл квантового фазового переходу в надрідку куперівських пар.

"Дивовижним результатом нашого експерименту є те, що лише шість атомів показують усі сигнатури фазового переходу, очікуваного для багаточастинкової системи", - сказав фізик Марвін Холтен.

За словами команди, ступінь контролю, який отримали дослідники, буде корисною в майбутньому для інших досліджень, таких як вивчення процесу термізації в квантових системах.

Вони також зможуть проводити зонди ферміонної надрідкої рідини на фундаментальному рівні та досліджувати появу пар Купера у більших системах.

Джерело