Экзотические квазичастицы, ротоны, в супержидкости из атомов цезия-133

Супержидкость (сверхтекучая жидкость), состоящая из охлажденных атомов гелия-4, является веществом с массой захватывающих свойств, некоторые из которых бросают вызов законам нормальной физики. Жидкий гелий-4 просачивается сквозь стекло, ее не может долго удерживать даже самый герметичный контейнер, она, эта супержидкость, может даже течь вверх по вертикальным поверхностям. Ко всем странностям сверхтекучего гелия-4 можно добавить теоретически обоснованную в 1941 году возможность существования в нем экзотических квазичастиц, получивших название ротон (roton). И после многолетних попыток обнаружения этих квазичастиц исследователям из Калифорнийского университета удалось искусственно создать и зарегистрировать ротоны в супержидкости, состоящей не из молекул гелия-4, а из сверхохлажденных атомов цезия-133.

На необычные свойства супержидкости гелия-4 пристальное внимание ученых было обращено в 1937 году. В те времена исследования в этой области проводились группой академика Петра Капицы в Москве, группой Джона Ф. Аллена и Дональда Мизенера из университета Торонто, а в 1941 году, будущий лауреат Нобелевской премии Лев Ландау подвел обоснование из теории квантовой механики под открытие, сделанное Капицей. Согласно теории Ландау свойство сверхтекучести гелию-4 придает некая единица коллективного вихреобразного движения атомов, которую можно рассматривать как единую квазичастицу, которая получила название ротон.

За многие десятилетия, прошедшие с момента теоретического обоснования возможности существования ротона, многие ученые, включая непосредственно Ландау, Ричарда Фейнмана и Филиппа Нозьера, разрабатывали различные варианты теоретической модели ротона, не имея возможности наблюдать его "вживую". "И даже в настоящее время, по прошествии семи десятилетий, ротон остается источником загадок и противоречий" - рассказывает Ченг Чин (Cheng Chin), профессор физики из Калифорнийского университета.



Пытаясь создать искусственный ротон для того, чтобы найти подтверждения существующих теорий, исследователи из Чикагского университета охладили цилиндрическую камеру до температуры в 15 наноКельвинов, т.е. к температуре, немного превышающей температуру абсолютного нуля. В этой камере была создана оптическая решетка из "переплетенных" лучей инфракрасных лазеров, в узлах которой находилось около 30 тысяч атомов цезия-133. И после этого ученые мягко "встряхнули" все атомы цезия.

"Нам потребовалось около 10 секунд, чтобы атомы цезия охладились до необходимой температуры, превратившись в сверхтекучую супержидкость" - рассказывает профессор Чин, - "А затем мы использовали совершенно новую идею, мы встряхнули всю оптическую решетку, что привело к появлению ротонов в жидкости".

Спустя несколько недель после открытия чикагских ученых, создать искусственные ротоны удалось и группе исследователей из Вашингтонского университета и Шанхайского университета науки и техники. Но в последнем случае ротоны были созданы несколько другим методом, ученые использовали лучи дополнительных лазеров, которые "взбаламутили" супержидкость сверхохлажденных атомов цезия.

В обоих случаях ученые судили о факте возникновения ротонов по особенностям спектра возбуждения атомов супержидкости. Анализ спектра позволил измерить энергетические показатели ротонов, а исследования того, как существование ротонов затрагивает свойства сверхтекучести жидкости проводились при помощи луча лазера с определенными характеристиками, который просвечивал образец атомарной супержидкости.

Пока еще ученые не знают, к каким последствиям может привести сделанное ими открытие, кроме как подтвердить некоторые из существовавших ранее теорий. Одно из применений новых знаний может находиться в сфере сверхпроводников, где некоторые аспекты поведения сверхпроводящих материалов перекликаются с аналогичными аспектами поведения сверхтекучих жидкостей.