Ученые обнаружили невозможные квантовые эффекты при сжатии атомов

Ученые сплющили два слоя ультрахолодных магнитных атомов на расстоянии 50 нанометров друг от друга и обнаружили причудливые квантовые эффекты, невиданные ранее.

Чрезвычайная близость этих атомов позволила исследователям впервые изучать квантовые взаимодействия в таком масштабе длины и теперь может привести к важным достижениям в разработке сверхпроводников и квантовых компьютеров. Результаты исследования изложены 2 мая в журнале Science.

Необычное квантовое поведение начинает проявляться при ультрахолодных температурах, поскольку атомы вынуждены занимать минимально возможное энергетическое состояние. "В режиме нанокельвинов существует тип материи, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором все частицы ведут себя как волны, - поясняет Ли Ду, физик из Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. - По сути, это квантово-механические объекты".

Взаимодействия между этими изолированными системами особенно важны для понимания квантовых явлений, таких как сверхпроводимость и сверхизлучение. Но сила этих взаимодействий обычно зависит от расстояния разделения, что может создать практические проблемы для исследователей, изучающих эти эффекты; их эксперименты ограничены тем, насколько близко они могут подойти к атомам.

"Большинство атомов, используемых в холодных экспериментах, должны иметь контакт, чтобы взаимодействовать, - сказал Ду. – Нас в первую очередь интересуют атомы диспрозия, которые являются особыми, поскольку могут взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях посредством диполь-дипольных взаимодействий (слабых сил притяжения между частичными зарядами соседних атомов)".

Сближение холодных атомов при сохранении контроля над их квантовыми состояниями является серьезной проблемой, и до сих пор экспериментальные ограничения не позволяли исследователям полностью проверить теоретические предсказания об эффектах этих квантовых взаимодействий.

"В обычных экспериментах мы улавливаем атомы светом, и это ограничено пределом дифракции — порядка 500 нанометров", - говорит Ду. Для сравнения, человеческий волос имеет ширину от 80 000 до 100 000 нанометров.

Используя лазерный луч, сфокусированный через линзу, исследователи могут создать "гауссову фокальную точку", которая подобна энергетическому колодцу внутри лазерного луча, который удерживает определенные атомы в нужном положении.

Это известно как оптический пинцет, но размер пинцета (ширина энергетической лунки) ограничен длиной волны лазерного излучения. Эта минимальная ширина называется пределом дифракции.

Команда Ду придумала хитроумный трюк, позволяющий преодолеть этот дифракционный предел, используя другое квантовое свойство атомов диспрозия: их спин. Атомный спин может быть направлен как вверх, так и вниз, но, что крайне важно, они имеют немного разную энергию. Это означает, что команда смогла использовать два разных лазерных луча с немного разными частотами и углами поляризации, чтобы улавливать усиление и ослабление вращения атомов диспрозия по отдельности.

"Если атом А не видит света В, а атом В не видит света А, то они, по сути, управляются независимо, - объясняет он. - Поскольку атомы всегда располагаются точно в центре гауссова пучка, вы можете перемещать две разные захваченные частицы сколь угодно близко". Тщательно управляя двумя оптическими пинцетами, команда Ду приблизила атомы диспрозия с повышенным и пониженным вращением на расстояние 50 нанометров друг от друга, увеличив силу взаимодействия в 1000 раз по сравнению с 500-нанометровыми уровнями.

Установив этот двойной слой, команда начала серию экспериментов по изучению квантовых взаимодействий на близком расстоянии. Они нагрели один из слоев диспрозия, полностью отделенный от другого вакуумным промежутком. Невероятно, но они наблюдали передачу тепла ко второму слою через пустое пространство.

"Как правило, для передачи тепла необходим контакт или излучение, которых у нас здесь нет", - говорит Ду. 

Кажущаяся невозможной теплопередача была лишь одним из странных эффектов, которые наблюдала команда. Группа уже начала изучать, как эти бислои взаимодействуют со светом. Особый интерес вызвал квантовый эффект, называемый спариванием Бардина-Купера-Шриффера (BCS) — квантово связанное состояние, испытываемое некоторыми субатомными частицами, называемыми фермионами, при низких температурах.

"Спаривание BCS между слоями очень важно для сверхпроводимости, - заключает Ду. - Несколько лет назад в теоретической статье было предсказано, что если у нас будет такая двухслойная система, связанная диполь-дипольными взаимодействиями на больших расстояниях, вы сможете сформировать пару BCS. Ранее мы не могли увидеть это экспериментально, но теперь это может стать возможным с помощью нашей системы".