Группа исследователей во главе с Тилманом Эсслингером из Института квантовой электроники ETH Zurich и Тобиасом Доннером, ученым из его группы, теперь показали, что частицы можно заставить «чувствовать» друг друга даже на больших расстояниях. Добавляя такие дальнодействующие взаимодействия, физики смогли наблюдать новые фазовые переходы, возникающие в результате энергичных трехсторонних битв.Искусственные квантовые мирыФизики, конечно, проводили свои эксперименты не в кастрюле, а в искусственно созданном квантовом мире, называемом «квантовым симулятором».
Для этого исследователи охладили крошечное облако атомов рубидия до температур чуть выше абсолютного нуля, а затем захватили их кристаллической решеткой, состоящей из лазерных лучей. Энергия взаимодействия возникает из-за столкновений между атомами, которые перемещаются вперед и назад между узлами решетки. С другой стороны, энергией движения атомов можно управлять с помощью интенсивности лазерных лучей, которая определяет, насколько легко атомы могут перемещаться внутри решетки.
Наконец, чтобы вызвать взаимодействие между атомами, которые находятся далеко друг от друга, Ренате Ландиг, аспирант из группы Эсслингера, и ее коллеги использовали технический трюк. Используя два зеркала с высокой степенью отражения, они построили резонатор, который гарантировал, что световые частицы, рассеянные одним из атомов, пролетают через облако рубидия несколько раз. Таким образом, рано или поздно все атомы в облаке вступают в контакт с рассеянным фотоном.
Таким образом, они «ощущают» присутствие исходного атома, который первым отклонил фотон. Это чувство на расстоянии равносильно эффективному взаимодействию на расстоянии.
Насколько сильно атомы взаимодействуют таким образом, можно точно контролировать с помощью частоты лазерных лучей.«Используя этот трюк, у нас теперь есть три конкурирующих энергетических шкалы в нашей системе: помимо энергии движения и взаимодействия существует, кроме того, энергия, связанная с дальнодействующим взаимодействием», — объясняет Ландиг. «Изменяя энергию движения и энергию дальнодействующего взаимодействия, мы можем изучать ряд новых квантовых фазовых переходов».Фазовые переходы первого родаИсследователи уже были знакомы с некоторыми из возможных фазовых переходов.
Например, когда дальнодействие очень мало и энергия движения постепенно увеличивается, фаза облака рубидия изменяется от моттовского изолятора с одним неподвижным атомом на каждом узле решетки до сверхтекучей жидкости, в которой атомы могут двигаться совершенно свободно.Если, напротив, исследователи увеличивают энергию дальнодействующего взаимодействия, происходит нечто совершенно иное. При определенной силе этого взаимодействия атомы спонтанно выстраиваются в виде шахматной доски с одним пустым узлом решетки между двумя атомами. «Особенность этого фазового перехода, аналогичного переходу между водой и водяным паром, заключается в том, что это переход первого рода», — подчеркивает Доннер.
При таких фазовых переходах определенное свойство вещества изменяется внезапно, тогда как фазовые переходы второго рода, которые являются типом переходов, которые были обнаружены в искусственных квантовых системах до сих пор, характеризуются постепенным изменением.Обнаружена сверхтвердостьФизикам также удалось вызвать еще один необычный фазовый переход, сделав очень большими как энергию движения, так и энергию дальнодействующего взаимодействия. В этом случае внутри решетки также появился шахматный узор, но на этот раз между атомами была фазовая когерентность — другими словами, их квантово-механические волновые функции были синхронизированы.
Фазовая когерентность обычно наблюдается только тогда, когда атомы относительно свободно перемещаются, как, например, в сверхтекучем состоянии. Сосуществование шахматной доски и фазовой когерентности одновременно указывает на то, что мы имеем дело со сверхтвердой фазой. Гибридное состояние сверхтвердости было теоретически предсказано еще пятьдесят лет назад, но до сих пор однозначное его обнаружение оказалось затруднительным.В будущем Эсслингер и его сотрудники будут использовать свой квантовый симулятор для более тщательного изучения таких экзотических эффектов.
Цель исследователей — получить общее представление о квантовых явлениях во все более сложных системах. Это, в свою очередь, идет рука об руку с разработкой и исследованием материалов с особыми свойствами.
Исследование проводилось совместно с TherMiQ, европейским исследовательским проектом, посвященным термодинамике мезоскопических открытых квантовых систем.