ультрахолодные атомы

Канарейку брали в шахту не ради песен. Птица падала с жёрдочки раньше, чем шахтёр замечал угарный газ. В сверхвысоком вакууме роль канарейки играет облако из ста тысяч атомов лития или рубидия. Лазер охлаждает их до десятков микрокельвинов, и они повисают в неглубокой магнитной ловушке, глубина которой всего около одной тысячной кельвина.

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Представьте бильярдный шар, висящий в воздухе. По нему из духовой трубки вылетают крошечные горошины. Каждый удар едва заметен, но если шар очень лёгкий и почти не дрожит от тепла, можно разглядеть отдельные толчки. Примерно так устроен эксперимент: стеклянная сфера размером с бактерию парит в вакууме, а на неё летит узкий пучок атомов ксенона.

Если толкнуть воду в узком канале слишком быстро, возникает крутая волна, которая обрушивается пеной. В мире сверххолодных атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, такой волне не дают обрушиться квантовые законы. Физики взяли облако атомов рубидия, вытянутое в тонкую нить — такую систему называют квантовой жидкостью, — и резко сжали его с одного конца подвижной стенкой из света.

В ультрахолодном облаке атомов, охлаждённом почти до абсолютного нуля, возникают области с разной ориентацией спинов — собственных моментов импульса частиц, которые можно представить как крошечные магнитики. Эти области похожи на участки с разной намагниченностью, а границы между ними называют доменными стенками.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

При температурах в миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля рождается конденсат Бозе–Эйнштейна — состояние, где тысячи атомов маршируют в одном квантовом ключе.

Тёмная материя — невидимый каркас, на котором держатся галактики. Но как именно она появилась? Стандартный ответ: частицы тёмной материи когда-то перестали сталкиваться и «застыли» в том количестве, которое мы видим сегодня. Однако есть и более хитрый путь — UFO, или сверхбыстрое застывание.

Представьте небоскрёб, собранный не из отдельных кирпичей, а из целых квартир-студий. Именно так устроен кристалл Au₆Te₁₂Se₈: его узлы — не атомы, а сверхатомные кластеры из золота и халькогенов, которые ведут себя как единые квантовые объекты.

Пустота не так пуста, как кажется. Если наблюдатель движется с ускорением, вакуум вокруг него нагревается — это предсказал Уильям Унру ещё в 1970-х. Эффект похож на излучение чёрной дыры, только в плоском пространстве.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Вселенная похожа на многослойный пирог, где наш слой — звёзды, планеты и люди — лишь один из многих. В соседнем слое, который физики называют скрытым сектором, кипят свои процессы. Эта работа рассказывает об одном таком процессе — фазовом переходе первого рода, когда вещество резко меняет состояние, как вода превращается в лёд.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

Временной кристалл напоминает вечные часы: его атомы сами собой совершают ритмичные движения. В обычных часах маятник толкает пружина или батарейка, а здесь движение возникает без подвода энергии — система просто возвращается к исходному состоянию через равные промежутки. Эту идею выдвинул Фрэнк Вильчек в 2012 году.

Ударьте по колоколу — он отзовётся на своей ноте. Так же и чёрная дыра, потревоженная падением звезды или другой дыры, начинает «звенеть», испуская гравитационные волны. Только вместо звука — дрожь самого пространства, а вместо одной ноты — целый набор затухающих частот. Их называют квазинормальными модами.

Кастрюлю с водой только что перестали мешать: воронки и водовороты постепенно успокаиваются, жидкость становится гладкой. Похожий процесс, но в квантовом мире, происходит в сверхтекучем гелии или в облаке ультрахолодных атомов. Только вместо водяных воронок там — невидимые вихревые нити, тончайшие квантовые «смерчи», пронизывающие вещество.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить общую мелодию. Примерно так физики смотрят на электроны в купратах — керамических материалах, которые проводят ток без сопротивления при температуре выше жидкого азота. Главные действующие лица — атомы меди и кислорода. Между ними электроны перепрыгивают, взаимодействуют и создают удивительный эффект.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

В цепочке оптических ловушек, подобно линии прибрежных фортов, удерживаются атомы. Рядом с ними — квантовое море: конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества с нулевым сопротивлением, где частицы движутся как единая волна.

Обычное оконное стекло кажется застывшим навеки, но внутри него атомы никогда не стоят на месте. В аморфном теллуриде германия (GeTe) — материале, который используют в перезаписываемых дисках и энергонезависимой памяти, — физики впервые напрямую проследили, как атомные связи растягиваются и сгибаются за триллионные доли секунды.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Сверххолодные молекулы — перспективный материал для квантовых вычислений, но собрать их в аккуратный массив, как яйца в коробке, непросто. Предложен способ загружать по одной молекуле в оптические пинцеты или решётки прямо из газа. Молекулы при этом сразу оказываются в самом спокойном состоянии движения.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.

Слой электронов, запертый между двумя пластинами полупроводника, при низкой температуре выстраивается в аккуратную решётку — как бусины на нитке, натянутой между пальцами. Стоит температуре подняться, и порядок рушится: кристалл плавится. Но как именно он тает, долго оставалось загадкой.

В привычном нам макромире любое движение неизбежно затухает: вмешивается трение — диссипативный процесс, рассеивающий энергию. Но квантовая реальность преподносит сюрпризы.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

С тех пор как Вера Рубин впервые убедительно показала, что галактики окружены невидимым веществом, поиск природы тёмной материи остаётся одной из главных задач физики.

Охлаждение часто ассоциируется с наведением порядка: при замерзании молекулы воды выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку. Однако в квантовом мире снижение температуры способно порождать порядок куда более причудливый.

Кубики льда в стакане тают, и вода перемешивается сама собой. Так ведут себя многие квантовые системы: частицы обмениваются энергией, и через какое-то время порядок исчезает. Но если в стакан добавить ложку мёда, перемешивание замедлится, а при сильном холоде вода застынет в стекло — без кристаллической решётки, но и без текучести.

Кубит — фундаментальная единица квантовой информации — подобен мыльному пузырю: малейшее возмущение разрушает его хрупкое состояние. На Земле гравитация тянет «пузыри» вниз, порождая вибрации, а тепловое движение атомов добавляет дестабилизирующую дрожь.

Когда облако атомов охлаждают до сверхнизких температур, они способны входить в единое квантовое состояние, действуя как согласованный ансамбль. Если в таком облаке рождается нейтрино — почти не взаимодействующая с веществом частица-призрак, — оно обычно ускользает незаметно.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.