Прорыв в области квантовой материи — настройка волн плотности
«Холодные атомарные газы в прошлом были хорошо известны своей способностью «программировать» взаимодействия между атомами», — говорит профессор Жан-Филипп Брантут из EPFL. «Наш эксперимент удваивает эту способность». Работая с группой профессора Гельмута Ритча в Университете Инсбрука, они совершили прорыв, который может повлиять не только на квантовые исследования, но и на квантовые технологии в будущем. Ученые из EPFL нашли новый способ создания кристаллической структуры, называемой «волной плотности» в атомарном газе. Полученные данные могут помочь нам лучше понять поведение квантовой материи, одну из самых сложных проблем в физике. Исследование было опубликовано 24 мая в журнале Nature.
Иллюстрация волны плотности.
Предоставлено: Харальд Рич, Инсбрукский университет/EPFL.
Волны плотности
Ученые давно заинтересованы в том, чтобы понять, как материалы самоорганизуются в сложные структуры, такие как кристаллы. В часто загадочном мире квантовой физики такого рода самоорганизация частиц наблюдается в « волнах плотности », когда частицы выстраиваются в регулярный, повторяющийся паттерн или порядок; как группа людей в рубашках разного цвета, стоящих в ряд, но по схеме, где нет двух людей в рубашках одного цвета, стоящих рядом друг с другом.
Волны плотности наблюдаются в различных материалах, включая металлы, изоляторы и сверхпроводники. Однако их изучение было затруднено, особенно когда этот порядок (структура частиц в волне) встречается с другими типами организации, такими как сверхтекучесть — свойство, которое позволяет частицам течь без сопротивления.
Стоит отметить, что сверхтекучесть — это не просто теоретическое любопытство; это представляет огромный интерес для разработки материалов с уникальными свойствами , такими как высокотемпературная сверхпроводимость, которые могут привести к более эффективной передаче и хранению энергии, или для создания квантовых компьютеров.
Настройка ферми-газа с помощью света
Чтобы изучить это взаимодействие, Брантут и его коллеги создали «унитарный ферми-газ» — разреженный газ из атомов лития, охлажденных до чрезвычайно низких температур, в котором атомы очень часто сталкиваются друг с другом.
Затем исследователи поместили этот газ в оптическую полость — устройство, используемое для удержания света в небольшом пространстве в течение длительного периода времени. Оптические полости состоят из двух обращенных друг к другу зеркал, которые тысячи раз отражают входящий свет туда и обратно между ними, позволяя световым частицам, фотонам, накапливаться внутри полости.
В ходе исследования, чтобы заставить частицы ферми-газа взаимодействовать на большом расстоянии, ученые использовали полость: первый атом излучал фотон, который отражался от зеркал, а затем повторно поглощался вторым атомом газа, независимо от того, насколько далеко это с первого раза. Когда излучается и поглощается достаточное количество фотонов (это легко настроить в эксперименте), атомы коллективно организуются в волновую структуру плотности.
«Комбинация атомов, сталкивающихся непосредственно друг с другом в ферми-газе и одновременно обменивающихся фотонами на больших расстояниях, — это новый тип материи, в котором взаимодействие является экстремальным», — говорит Брантут. «Мы надеемся, что то, что мы там увидим, улучшит наше понимание некоторых из самых сложных материалов, встречающихся в физике».
Другие участники включают Центр квантовой науки и техники EPFL.
