Атомы в кольце: как сделать бублик из света и магнетизма экспресс
Крошечное облако атомов, охлаждённое до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, парит в кольцевой ловушке. Оно похоже на светящееся ожерелье, но физики заставили его жить на поверхности невидимого бублика.
С помощью лазерных лучей и микроволновых импульсов три внутренних состояния атомов связали в цикл. Это как если бы три дороги замкнули в кольцо, и атом мог переходить с одной на другую, пока не вернётся к началу. Такая скрытая петля вместе с реальным кольцом образует тор — поверхность бублика. По этому тору течёт магнитный поток, и он оставляет след: плотность атомов в кольце становится волнистой, с горбами и впадинами.
Число волн жёстко задано квантовыми правилами — это отличительная черта геометрии тора. Меняя фазу связи между состояниями, исследователи сдвигали волны, как будто перекатывали узор по бублику. Так проявляется эффект, похожий на перекачку заряда в микроэлектронике — но здесь вместо электронов сами атомы.
Эксперимент начался с цилиндра: атомы гуляли по кольцу, но скрытая петля ещё не была замкнута. Когда цикл замкнули, цилиндр превратился в тор, и волны плотности возникли сами собой. Это первый случай, когда квантовый эффект Холла удалось воспроизвести на искусственно искривлённом пространстве.
Такие «бублики» из атомов могут стать лабораторией для проверки идей о том, как ведёт себя материя в искривлённых мирах. Возможно, именно так удастся смоделировать условия вблизи чёрных дыр или в ранней Вселенной.
Квантовый магнитный поток через тор меняется только скачками — как если бы вода в бутылку наливалась глотками, а не непрерывной струёй.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» физики создают вселенную с необычной топологией, чтобы проверить законы квантовой механики — этот эксперимент делает первый шаг в ту же сторону.