Последние новости науки
 
Эксперименты с бозе-эйнштейновским конденсатом. 

Явление бозе-эйнштейновской конденсации было предсказано в середине 20-х годов, на заре квантовой механики, и с тех пор постоянно привлекало огромное внимание, как со стороны теоретиков, так и экспериментаторов. Это явление было одним из первых сигналов того, что квантовая механика может предсказать необычные явления не только на микроскопическом атомном уровне, но и в привычном нам повседневном масштабе (подробнее о квантовых законах и квантовых газах читайте в заметке "Вырожденный фермионный газ при сверхнизких температурах"). 

Долгое время это явление "существовало" только на бумаге. Потом пришло осознание того, что бозе конденсат (БК) играет главную роль в явлениях сверхтекучести и сверхпроводимости. Однако, в обоих случаях изучение самого БК, не говоря уже о динамики перехода системы в состояние БК, было крайне трудным. 

Четыре года назад бозе конденсат в совершенно иной системе был напрямую получен в лаборатории. Эскпериментаторы к тому времени научились удерживать облако атомов щелочных металлов в магнито-оптических или чисто оптических ловушках. Охлаждая пойманный атомный сгусток до сверхнизких температур (ниже 1 мкК), удалось добиться перехода атомов в состояние бозе конденсата. 

Первые год-два эти эксперименты являлись шедеврами экспериментального искусства, и только в последнее время БК начал получаться в различных лабораториях мира - тогда-то и посыпался шквал экспериментальных и теоретических работ о всевозможных явлениях, связанным с БК. Эта лавина работ (и новых открытий!) продолжается и сейчас. Можно сказать, ученые наконец-то нашли долгожданную золотую квантовую жилу. 

Вот некоторые из последних достижений в этой области. 

Очень интересными оказались недавние эксперименты, проведенные в Университете Колорадо по "завихрению" БК. В силу своих квантовых свойств, вихри в конденсате могут, грубо говоря, вращаться только с определенной угловой скоростью, т.е. угловой момент такого вихря квантуется. Такие квантованные вихри, конечно, предсказывались теорией, однако создание подобных микроскопических квантовых обьектов "вручную" оказалось делом очень трудным. Дело в том, что здесь необходимо хирургически точное, выверенное воздействие на конденсат, не разрушающее его, и не привносящее лишнюю энергию (все-таки температура атомного сгустка составляет доли микрокельвина!). 

В данных экспериментах таким микроскопическим "скальпелем" служил сфокусорованный лазерный луч. Экспериментаторы сначала получали БК атомов двух сортов, отличавшихся внутренним состоянием. Воздействуя на атомы одного сорта лазером поочередно в разных секторах атомного сгустка, ученые заставляли атомы второго сорта двигаться самостоятельно - возникал вихрь. После того, как внешнее воздействие прекращалось, вихрь продолжал вращаться со скоростью один оборот за 3 секунды. Это отвечало ровно тому минимальному значению углового момента, которое еще разрешается квантовой механикой. 

Другая группа, на этот раз из MIT, проделала еще более простой (на первый взгляд) эксперимент - просто двигала сфокусированный лазерный луч сквозь сгусток атомов. Имея очень небольшую мощность, лазер просто вытеснял атомы из фокуса, делая "дырку" размером 13 мкм в БК шириной 45 мкм, и больше сам по себе никак на конденсат не воздействовал. Однако, когда эта дырка начинала двигаться через атомный сгусток, конденсат должен был ее обтекать - и тут-то и начинались интересные эффекты. При достаточно больших скоростях движения (v > 2 мм/сек), такое вынужденное движение атомов заставляло сгусток нагреваться. Явление вполне понятное - если вы погрузите какой-нибудь предмет в воду и начнете его там двигать, он будет заставлять воду двигаться, будет передавать ей часть своей энергии, и тем самым ее нагревать. Для атомного сгустка это должно приводить к частичному или полному разрушению бозе конденсата, т.е. переходу его в обычное несконденсированное состояние, что и наблюдалось в эксперименте. Однако, когда скорость движения дырки была меньше 2 мм/сек, никакого нагревания не происходило вообще. Это означало, что конденсат обтекал дырку когерентно, как единый квантовый объект, и никакой энергии ему не передавалось. Можно говорить, что при таких скоростях дырка не испытывает никаких сил вязкого трения со стороны конденсата (и конденсат со стороны дырки - тоже), явление знакомое ученым по поведению гелия-4 при очень низких температурах. 

По сути, это есть первое прямое наблюдение явления сверхтекучести в разреженном атомном бозе конденсате. 

Еще одним интересным классом экспериментов является наблюдение так называемого резонанса Фешбаха, также впервые произведенное в MIT. Оказывается, что в присутствии внешнего магнитного поля, меняется взаимодействие между атомами в БК, причем можно менять не только силу взаимодействя, но даже и то, будут частицы отталкиваться или притягиваться. Но в БК изменение микроскопических свойств приводит к качественным изменениям всего сгустка в целом. Оказывается, при определенном внешнем магнитном поле атомы начинают образовывать связаные состояния - своего рода молекулы. Они существуют в течение некоторого времени, затем распадаются опять - но в рамках всего атомного сгустка происходит качественное изменение: в каждый момент времени значительная часть атомов находится в состоянии молекул. 

В результате вместо одного БК - стало два, конденсат атомов и конденсат молекул, две одновременно сосуществующие фазы газа атомов при сверхнизких температурах. 

Важно отметить, что для проведения этих наблюдений было крайне важным использование чисто оптической ловушки. Использование магнитной ловушки для удержания атомов моментально связало бы экспериментаторам руки, поскольку именно подстройкой внешнего магнитного поля и удавалось модифицировать межатомное взаимодействие. 

Мораль всех этих экспериментов проста, но крайне важна: экспериментаторы научились контролировать и изменять в лабораторных условиях свойства и структуру квантовых газов в микроскопических и макроскопических масштабах. Перспективы такого "тотального контроля" крайне интригующи: уже сейчас подобное воздействие применяется в первых опытных образцах квантовых компьютеров и атомных лазеров. 

И можно сказать, что они являются, по сути, первыми вестниками технологии будущего - макроскопической квантовой технологии, которая уже не за горами. 

Ссылки: 

http://www.hep.net/documents/newsletters/pnu/1995/pnu-233.html - сообщение об успешном охлаждении разреженного газа бозонов и наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации, 

http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html - шикарный и интерактивный "учебник" по бозе конденсации, доступен даже для школьников средних классов, 

http://www.npl.washington.edu/AV/altvw77.html - хорошая и подробная популярная статья, 

http://nnvaq.tue.nl/atoq/1997_1/druten.ps - бозе конденсат в вопросах и ответах, 

http://www.aip.org/physnews/graphics/html/vortex.html - краткое описание эксперимента по получению вихрей в БК + картинки, 

http://www.eurekalert.org/releases/manipultracold.html - резонанс Фешбаха - наблюдение и перспективы. 

 

[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение
 

 
vlad@ssl.nsu.ru