Однородный спинорный бозе-газ и легкоплоскостные ферромагнитные свойства.
Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01779-6

Жидкости, какими мы их знаем из повседневной жизни, не текут без сопротивления. Для перемещения воды нужны большие насосы и турбины, а мед медленно течет с ложки. Это вызвано внутренним трением жидкости, благодаря которому энергия движения в конечном итоге преобразуется в тепло. Это может быть совершенно иначе в квантовой жидкости, что тесно связано с явлением конденсации Бозе-Эйнштейна.

Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) — это особое квантово-механическое состояние атомарного газа, которое достигается при очень низких температурах. Облако отдельных атомов в этом состоянии коллективно ведет себя как единая жидкость. Эта квантовая жидкость может течь без сопротивления — она сверхтекучая. По словам профессора Оберталера, в последние десятилетия атомные конденсаты Бозе-Эйнштейна были созданы из очень разных типов атомов, таких как натрий и рубидий, а в последнее время также из более «экзотических» атомов, таких как эрбий и диспрозий.

Однако большинство этих атомов также обладают внутренними степенями свободы — они имеют спин и ведут себя как маленькие магниты. Это, в принципе, может также порождать явление конденсации Бозе-Эйнштейна, но это еще не наблюдалось экспериментально, как объясняет Маркус Оберталер, научный сотрудник Института физики им. Кирхгофа. Эта демонстрация теперь стала возможной с ультрахолодным облаком атомов рубидия.

Обычно конденсат Бозе-Эйнштейна получают путем так называемого испарительного охлаждения. Это очень похоже на охлаждение кофе в чашке путем обдувания. Самые быстрые атомы на поверхности кофе сдуваются, и нужно ждать, пока оставшиеся атомы остановятся при более низкой температуре. Это чрезвычайно сложно для спина, поэтому гейдельбергские физики выбрали другой метод.

«Мы инициализировали систему далеко от равновесия и ждали, пока атомы рубидия не достигнут нового состояния равновесия. То, что сначала казалось менее интуитивным, оказалось чрезвычайно эффективным», — говорит доктор Максимилиан Прюфер. Ведущий автор исследования был членом исследовательской группы профессора Оберталера и в настоящее время работает в Венском техническом университете (Австрия).

Для создания и отслеживания этого состояния исследователи использовали уникальные методы обнаружения и возмущения, специально разработанные для этой цели. Они заметили, что сверхтекучей стала не только двигательная степень свободы, но и вращение. Таким образом, магнитные квантовые жидкости могут стать чрезвычайно текучими двумя способами.

«Наши новые методы исследования позволяют нам не только охарактеризовать конденсат, но и лучше понять путь от неравновесного состояния к этому состоянию», — объясняет Маркус Оберталер, руководитель исследовательской группы «Синтетические квантовые системы», которая также часть Кластера передового опыта STRUCTURES Гейдельбергского университета.

Физики - экспериментаторы сотрудничали с исследовательской группой профессора доктора Юргена Бергеса в Институте теоретической физики, чтобы рассчитать теоретические предсказания для экспериментальных наблюдаемых. Для достижения согласия между расчетами и результатами эксперимента необходимо было принять экстремально низкую температуру. «Это всех нас удивило и станет предметом дальнейших исследований для независимой проверки», — заявляют авторы статьи в журнале Nature Physics.