Как поймать магнитное облачко в ловушку из света ✎ экспресс

Оригинал: "Enhancing Kondo Coupling in Alkaline-Earth Atomic Gases with Confinement-induced Resonances in Mixed Dimensions"
arXiv:1705.06878 · 2017-05-19 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Учёные нашли способ заставить крошечную частицу обмениваться спином с облаком атомов при более высокой температуре.

📄 Показана версия «Просто» — «Популярно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Капля чернил в стакане воды быстро размазывается, окрашивая всю жидкость. Так и электроны в металле: они носятся свободно, как молекулы в газе. Но если в эту среду попадает магнитная примесь — атом с собственным магнитным моментом, — начинается странное. При очень низких температурах электроны словно прилипают к примеси, выстраивая вокруг неё облако. Это облако экранирует магнитный момент, и сопротивление металла растёт. Явление открыли полвека назад и назвали эффектом Кондо.

Эффект Кондо — это когда одинокий магнитный атом в металле заставляет электроны кружиться вокруг себя, меняя электрические свойства всего материала.

Воспроизвести этот танец в чистом виде — без мешанины кристаллической решётки — мечта многих физиков. Идеальная сцена — ультрахолодный газ атомов стронция. У них есть два состояния: основное и долгоживущее «часовое» (оно используется в самых точных часах). Атом в часовом состоянии играет роль магнитной примеси, а атомы в основном — роль электронов. Их спины (квантовые аналоги магнитных стрелок) обмениваются ориентацией при столкновении — это и есть квантовый аналог эффекта Кондо. Но нужная температура — ниже миллионных долей градуса над абсолютным нулём — пока недостижима.

Авторы работы предлагают хитрый трюк: сжать газ в тонкую трубку с помощью поперечного лазерного луча, а для часового состояния добавить ещё и продольную ловушку — как пружинку, которая мягко удерживает атомы вдоль оси трубки. Обе ловушки усиливают взаимодействие между атомами за счёт эффекта, называемого резонансом, вызванным конфайнментом. Когда размер ловушки подбирают так, чтобы энергия связанного состояния двух атомов совпала с энергией их свободного движения, взаимодействие резко возрастает — как если бы два музыканта взяли ноту в унисон и звук усилился.

Резонанс, вызванный конфайнментом, похож на настройку гитары: когда размер ловушки совпадает с «длиной волны» взаимодействия, оно становится в сотни раз сильнее.

Расчёты показывают: комбинируя поперечное и продольное сжатие, можно поднять температуру Кондо до значений, доступных в современных экспериментах. Это похоже на то, как если бы воду удалось вскипятить не при ста градусах, а при комнатной температуре — просто изменив форму сосуда. Такой подход превращает газ стронция в настраиваемый квантовый симулятор, где эффект Кондо можно включать и изучать без помех, шаг за шагом разбирая его природу.

Эффект Кондо был открыт в 1934 году, когда заметили, что сопротивление золота с примесью железа при охлаждении не падает, а растёт — вопреки всем ожиданиям.

Учёные
Emmy NoetherSatyendra Nath BoseAlbert EinsteinWolfgang PauliEnrico FermiPaul Dirac
Понятия
эффект Кондо удержание плазмы удержание спин-орбитальная связь токамак связь океана и атмосферы двумерный электронный газ угарный газ генерация запутанности временная запутанность магнитная примесь парниковый эффект спаривание электронов решётка кагоме ультрахолодные атомы аргон глобальное потепление обменное взаимодействие обмен энергией квантовые явления замерзания