Квантовые газы cond-mat.quant-gas

В тёмной комнате луч лазера рисует на стене яркую точку. Свет кажется чем-то тёплым и неуправляемым, но физики уже три десятилетия используют его как дирижёрскую палочку, заставляя атомы танцевать в унисон. Всё началось с простого наблюдения: если направить на облако атомов встречный свет, он будет тормозить их, как поток воды, бьющий в лоб пловцу.

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.

Облако молекул 41K87Rb, удерживаемое в оптической ловушке, расширяется, как туман на рассвете. Каждая молекула — слабосвязанная пара атомов калия и рубидия, висящая на грани диссоциации. Охладить такое облако до почти абсолютного нуля, не развалив молекулы, — задача, которая долго не поддавалась. Теоретики смоделировали процесс, в котором короткий импульс ловушки действует как линза, фокусирующая движение молекул.

Два актёра на одной сцене. Один — фермион, капризный и требовательный, его трудно заставить играть по правилам квантового симулятора. Другой — бозон, покладистый и неприхотливый, готовый занять любое место. Режиссёр надеется, что зритель не заметит подмены.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию. Но, возможно, до этого она сжималась, а затем отскочила. Оба сценария оставляют почти одинаковый отпечаток в реликтовом излучении, и космологи десятилетиями спорят, какой из них верен.

В 1867 году Джеймс Клерк Максвелл придумал демона, который сортирует молекулы газа и тем самым нарушает второе начало термодинамики. Демону нужно знать скорости частиц. В квантовом мире похожая задача: удержать запутанность от лавинообразного роста, но наблюдать за системой целиком невозможно. Оказывается, демону достаточно неполной записной книжки.

В лаборатории время обычно тикает на стене: стрелки, цифры, стандарт частоты. Но для Вселенной внешних часов нет. Уравнение Уилера–ДеВитта, главный закон квантовой гравитации, вообще не содержит времени, а все фундаментальные теории не имеют встроенной стрелы времени.

Натянутая струна между двумя кварками не лопается мгновенно, как резиновая лента. Она сначала вибрирует, на ней возникают узлы, и лишь потом она рвётся — если вообще рвётся.

Физики задействовали квантовый симулятор — платформу, которая воспроизводит динамику заряженных частиц, — чтобы проследить их столкновения в режиме колоссальных энергий. Согласно Стандартной модели, фундаментальной теории микромира, система обязана была стремительно скатиться к хаосу, где энтропия, мера беспорядка, достигает максимума.

Согласно теории Эйнштейна, вращение Земли увлекает за собой само пространство-время — этот эффект известен как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Представьте: массивное тело, словно ложка в густом мёде, закручивает вокруг себя ткань пространства-времени.

Мозаика Пенроуза — это покрытие плоскости двумя типами плиток, которое никогда не повторяется, создавая апериодический узор. Открытая Роджером Пенроузом как математический курьёз, она неожиданно нашла физическое воплощение в квантовом мире.

Всё стремится к равновесию: чай остывает, маятник затихает. Мерой этого необратимого движения служит энтропия — мера беспорядка в системе, которая, согласно второму началу термодинамики, только растёт. Но иногда горячая вода замерзает быстрее тёплой. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, — не просто курьёз из повседневности: он проявляется и в квантовом мире.

Атомы, подобно нитям в искусной косе, подчиняются строгому правилу: если одна нить «заряжена» — возбуждена до высокоэнергетического состояния, — соседние обязаны молчать, оставаясь невозбуждёнными. Этот феномен — ридберговская блокада (эффект подавления одновременного возбуждения близких атомов) — позволяет сплетать устойчивые квантовые узоры, где каждый атом знает своё место.

Фундаментальный принцип, открытый Вольфгангом Паули, — принцип запрета Паули — гласит: никакие два фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Пустота не всегда пуста: она может скрывать энергию, как переохлаждённая вода скрывает лёд. Физики называют это ложным вакуумом — состоянием, которому нужен лишь толчок, чтобы лавиной перейти в истинный, более стабильный вакуум.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.

Сверхтвёрдое тело — это лёд, который течёт. Представьте пруд, схваченный ледяной коркой, но с жидкой глубиной, где вода движется без трения. Обычно такую «корку» — сверхтвёрдое состояние — создают, меняя свойства жидкости по всему объёму.

Кристаллы времени — это экзотическая фаза материи, которая пульсирует во времени, подобно вечному метроному, не требующему завода. Концепцию почти десять лет назад предложил Фрэнк Вильчек.

Атомы пойманы в световое кольцо. Это не метафора: лазерные лучи образуют кольцевую ловушку, внутри которой атомы движутся по кругу. Свет не только удерживает их, но и связывает вращение атома с его внутренним «компасом» — спином. Получается, что атом, бегущий по кольцу, чувствует, куда он бежит, и это меняет его внутреннее состояние. Такая связь не просто красива.

Сверххолодное атомное облачко, напоминающее туман, позволяет предположить, что гравитация может отклоняться от ньютоновского закона. На окраинах галактик звёзды движутся быстрее, чем предсказывает классическая механика. Теория MOND (Modified Newtonian Dynamics) модифицирует закон тяготения на больших расстояниях, делая избыточную тёмную материю ненужной.

Наша Вселенная, возможно, возникла из крайне нестабильного состояния, которое физики называют ложным вакуумом. Представьте стакан с водой, охлаждённой ниже точки замерзания: жидкость остаётся жидкой лишь до первой встряски, которая мгновенно запускает кристаллизацию в лёд.

Две частицы держатся друг за друга, как альпинисты в одной связке, и летят на стену. Ударятся — отскочат вместе или связка порвётся? От чего это зависит? Физики рассмотрели самый простой случай: всё происходит на одной прямой, частицы притягиваются только когда находятся в одной точке, а стена абсолютно твёрдая.

Внутри крошечной зеркальной полости, размером меньше толщины волоса, свет заперт и многократно отражается от стенок. Если туда поместить вещество, способное поглощать и испускать свет, то частицы света (фотоны) начинают «одеваться» в возбуждения вещества — так рождаются поляритонные моды.

Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя.

В холодном облаке атомов натрия и рубидия физики впервые собрали молекулы, которые вращаются, как запущенные волчки. Обычно в ультрахолодных экспериментах атомы соединяются в пары без вращения — как два человека, взявшиеся за руки и стоящие на месте. Здесь же пары получили дополнительный импульс: они крутятся вокруг общей оси, и это вращение меняет их поведение.

Бросьте горсть гороха в кастрюлю с манной крупой — горошины быстро утонут, расталкивая крупинки. Но если сделать крупу очень густой и липкой, горошины застрянут. Примерно так вели себя лёгкие атомы лития в облаке тяжёлых атомов калия при температуре в миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. Обычно частица в газе движется как пьяный пешеход: шаг влево, шаг вправо, и в среднем уходит от старта всё дальше.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию. Пока инструментов мало, дирижёр может управлять каждым отдельно. Но когда музыкантов тысячи, индивидуальные команды становятся неподъёмными. Физики из Принстона и Чикаго нашли способ дирижировать всем оркестром сразу, не теряя сложности музыки.

Физики сконструировали цепочку из ридберговских атомов — это атомы, у которых один или несколько электронов возбуждены на орбиты огромного радиуса, сравнимого с масштабами планетарных путей.

Вихрь в сверхтекучем газе похож на водоворот в раковине: жидкость крутится вокруг пустой сердцевины. Если закрутить такой вихрь втрое сильнее обычного, он не удержится — распадётся на три отдельных водоворота, как толстая струя воды разбивается на капли. В новом расчёте тройной вихрь поместили в кольцо из сверххолодных атомов и слегка сжали кольцо в овал.

Четырнадцать атомов рубидия выстроились в ряд, как бусины на нитке. Каждый атом — крошечный магнит, который может указывать вверх или вниз. Вместе они подчиняются строгим правилам, похожим на расписание поездов: всё предсказуемо, всё повторяется. Но стоит внести едва заметное изменение — и расписание летит под откос.

Резинка натянута — и вдруг лопается. В мире атомов есть похожая картина: струна, связывающая частицы, может разорваться. В новой работе физики взяли цепочку атомов ридберговских атомов и проследили, как рвётся такая струна. При слабом натяжении струна рвётся полностью, и система распадается на несколько независимых кусков — как если бы резинка разлетелась на отрезки.

Чёрная дыра — это место, откуда не может вырваться даже свет. Но квантовая теория говорит, что она всё же слабо светится. Это свечение называют излучением Хокинга. В космосе его не разглядеть: слишком слабое. Поэтому физики строят модели чёрных дыр из обычных материалов.

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.

В сверххолодном облаке атомы калия ведут себя как волны, которые могут складываться и усиливать друг друга — примерно как звуковые волны в музыкальном инструменте создают громкий аккорд. Физики научились управлять этим процессом, меняя силу взаимодействия между атомами с помощью магнитного поля.

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

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

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.

Физики взяли 114 атомов рубидия, охладили до температур почти абсолютного нуля (как в экспериментах с жидким гелием) и аккуратно разложили в узор пчелиных сот. Затем они начали плавно менять силу взаимодействий, словно медленно повышая температуру в кастрюле. При низком «огне» атомы держались стройными магнитными рядами, образуя упорядоченную структуру, похожую на кристалл.

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.