Квантовый дверной проём: как толпа меняет правила туннелирования
В квантовом мире частицы могут проходить сквозь барьеры (туннелирование). Но когда частиц много, их коллективное поведение меняет картину. С помощью симулятора на холодных атомах с регулируемыми барьером, температурой и взаимодействием учёные обнаружили универсальный закон: при слабом взаимодействии вероятность туннелирования зависит от температуры квадратично, а не линейно, как для одиночек. При усилении взаимодействия показатель степени уменьшается, что согласуется с квантовой теорией поля. Это как если бы толпа просачивалась сквозь дверь совсем иначе, чем отдельные прохожие.
Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память. Но когда сквозь барьер просачивается не одиночка, а целое скопление частиц, их поведение напоминает толпу, пытающуюся протиснуться в узкую арку: взаимодействие между ними в корне меняет картину. Долгое время оставалось загадкой, как именно межчастичные силы перенормируют фундаментальный масштабный закон туннелирования, связывающий критическую «проходимость» барьера с температурой.
Физики из Пекинского университета и Университета Женевы превратили бозе-эйнштейновский конденсат атомов рубидия-87 в квантовый симулятор, заключив его в оптическую решётку из перекрещенных лазерных лучей (квантовая оптика). Меняя поляризацию, они перестраивали геометрию двумерной решётки с гексагональной на треугольную, а варьируя интенсивность, управляли туннельной связью между узлами — аналогом ширины дверного проёма. Чтобы уловить критическую точку, где туннелирование замирает, исследователи измеряли долю атомов, застывших с нулевым импульсом после баллистического расширения (квантовое измерение). Так, проследив за толпой частиц при разных температурах и силах взаимодействия, они нанесли на карту универсальный степенной закон.
Результаты численного моделирования методом квантового Монте-Карло подтвердили, что кривая Jc ∝ T^α с нецелым α описывает широкий класс одномерных систем. Показатель α удалось выразить через параметр Латтинжера K, который зависит от безразмерного взаимодействия γ: α = (4K−1)/(2K). Для слабых взаимодействий (K ≫ 1) получается α ≈ 2, а с усилением взаимодействия показатель медленно сползает, пока — в пределе очень сильной связи — туннелирование не становится одночастичным и α не стремится к единице. Этот кроссовер от коллективного танца к одиночному прорыву впервые увиден в лаборатории.
Открытие сулит прорыв в понимании высокотемпературной сверхпроводимости и проектировании квантовых компьютеров, где управление туннелированием куперовских пар или кубитов критично. Более того, универсальность скейлинга подсказывает, что подобные законы могут действовать в органических сверхпроводниках и даже в астрофизических системах. Работа закладывает фундамент для «инженерии туннельных толп» — возможности настраивать прохождение квантовой информации сквозь сложные среды, делая ещё один шаг к практическим квантово-информационным устройствам.
🎯 Переход от коллективного туннелирования к одиночному при увеличении глубины решётки напоминает, как толпа людей, идущих через узкую дверь, меняет своё поведение при сильной давке: взаимодействие заставляет всех «чувствовать» друг друга, а когда проход становится совсем тесным, каждый просачивается сам по себе.