Новые наблюдения ученых фиксируют ключевой переход от классического к квантовому поведению

Мир, в котором мы живем, подчиняется классической физике. То, как мы движемся, где мы находимся и как быстро мы идем, определяется классическим предположением, что мы можем существовать только в одном месте в любой момент времени.

Но в квантовом мире поведение отдельных атомов регулируется принципом, согласно которому местоположение частицы является вероятностью. Например, у атома есть определенный шанс оказаться в одном месте и другой шанс оказаться в другом месте в одно и то же время.

Когда частицы взаимодействуют исключительно вследствие этих квантовых эффектов, должно происходить множество странных явлений. Но наблюдать такое чисто квантово-механическое поведение взаимодействующих частиц среди всепоглощающего шума классического мира — задача непростая.

Теперь физики Массачусетского технологического института непосредственно наблюдали взаимодействие частиц в конкретном состоянии материи: вращающейся жидкости ультрахолодных атомов. Исследователи предсказали, что во вращающейся жидкости будут преобладать взаимодействия, которые заставят частицы демонстрировать экзотическое, невиданное ранее поведение.

В исследовании, опубликованном 5 января 2022 года в журнале Nature, команда Массачусетского технологического института быстро поворачивала квантовую жидкость из ультрахолодных атомов. Они наблюдали, как изначально круглое облако атомов сначала деформировалось в тонкую игольчатую структуру. Затем, когда классические эффекты ушли, оставив только взаимодействие частиц и квантовые законы, чтобы управлять поведением атомов, игла спонтанно превратилась в кристаллический узор, напоминающий вереницу миниатюрных квантовых торнадо.

«Эта кристаллизация обусловлена ​​исключительно взаимодействием и говорит нам, что мы переходим от классического мира к квантовому миру», — говорит Ричард Флетчер, доцент физики в Массачусетском технологическом институте.

Результаты являются первой прямой документацией эволюции быстровращающегося квантового газа на месте. Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка, говорит, что эволюция вращающихся атомов в целом аналогична тому, как вращение Земли вызывает крупномасштабные погодные явления.

«Эффект Кориолиса, который объясняет эффект вращения Земли, подобен силе Лоренца, которая объясняет, как заряженные частицы ведут себя в магнитном поле», — отмечает Мартин Цвирляйн. «Даже в классической физике это приводит к формированию интригующего узора, подобно облакам, обволакивающим Землю красивыми спиральными движениями. И теперь мы можем изучить это в квантовом мире».

Вращающиеся квантовые жидкости

В 1980-х годах физики начали наблюдать новое семейство веществ, известных как квантовые жидкости Холла, которые состоят из облаков электронов, плавающих в магнитных полях. Вместо того, чтобы отталкивать друг друга и образовывать кристалл, как предсказывает классическая физика, частицы подстраивают свое поведение под поведение своих соседей квантовым образом.

«Физики обнаружили всевозможные удивительные свойства, и причина была в том, что в магнитном поле электроны (классически) застыли на месте — вся их кинетическая энергия отключена, и остались только взаимодействия», — говорит Ричард Флетчер. «Итак, весь этот мир возник. Но его было чрезвычайно трудно наблюдать и понимать».

В частности, электроны в магнитном поле движутся очень малыми движениями, которые трудно увидеть. Ученые пришли к выводу, что, поскольку движение атомов при вращении происходит на гораздо больших масштабах длины, они могли бы использовать ультрахолодные атомы в качестве заменителей электронов и наблюдать идентичную физику.

«Мы подумали, давайте заставим эти холодные атомы вести себя так, как если бы они были электронами в магнитном поле, но это мы могли бы точно контролировать. Тогда мы можем визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотреть, подчиняются ли они одной и той же квантово-механической физике».

Квантовая погода

В своем новом исследовании физики использовали лазеры для захвата облака из примерно 1 миллиона атомов натрия и охладили атомы до температуры около 100 нанокельвинов. Затем они использовали систему электромагнитов для создания ловушки, удерживающей атомы, и коллективно вращали атомы вокруг, как шарики в чаше, со скоростью около 100 оборотов в секунду.

Команда сфотографировала облако с помощью камеры, зафиксировав перспективу, похожую на точку зрения ребенка, когда он смотрит в центр карусели на игровой площадке. Примерно через 100 миллисекунд исследователи заметили, что атомы превратились в длинную игольчатую структуру, которая достигла критической квантовой толщины.

“В классической жидкости она просто продолжала бы становиться тоньше”, — говорит Мартин Цвирляйн. “Но в квантовом мире жидкость достигает предела того, насколько тонкой она может стать”.

«Когда мы увидели, что она достигла этого предела, у нас были веские основания думать, что мы стучимся в дверь интересной квантовой физики», — добавляет Ричард Флетчер. «Тогда вопрос был в том, что будет делать эта игольчатая жидкость под воздействием чисто вращения и взаимодействий?»

Ученые сделали важный шаг вперед в своем эксперименте, чтобы увидеть, как будет развиваться игольчатая жидкость. По мере того как жидкость продолжала вращаться, они наблюдали, как начинает проявляться квантовая нестабильность: стрелка начала колебаться, затем свернуть штопором и, наконец, превратилась в цепочку вращающихся сгустков или миниатюрных торнадо — квантовый кристалл, возникающий исключительно в результате взаимодействия вращение газа и силы взаимодействия между атомами.

«Эта эволюция связана с идеей о том, как бабочка в Китае может вызвать здесь шторм из-за нестабильности, вызывающей турбулентность», — объясняют ученые. «Здесь у нас квантовая погода: жидкость из-за своей квантовой нестабильности распадается на кристаллическую структуру из меньших облаков и вихрей. И это прорыв — возможность увидеть эти квантовые эффекты напрямую».