Коллективные квантовые движения впервые зарегистрировали напрямую

Физики впервые наблюдали голдстоуновские и хиггсовские моды коллективных квантовых возмущений вещества. Достижение стало возможно благодаря недавно открытому состоянию вещества, обладающему как свойствами твердого тела, так и сверхтекучестью. Ранее их наличие определялось только косвенными методами. Статья с результатами опубликована в журнале Science.

Во многих разделах физики возникает идея симметрии и ее спонтанного нарушения, что является частным случаем фазового перехода. Бытовой аналогией этого процесса является поставленный на заточенный грифель карандаш — такое положение настолько неустойчиво, что бесконечно малое отклонение в любую сторону приводит к падению. В физике частиц подобная ситуация возникает при нахождении объектов в потенциале, обладающем формой мексиканской шляпы, обладающей вращательной симметрией. Если частицы изначально находились на вершине центрального возвышения (симметрия присутствует), то любое возмущение приводит к их скатыванию к минимуму потенциала (симметрия нарушена).

При нарушении симметрии возникают особые коллективные моды двух видов: голдстоуновские и хиггсовские. Они характеризуют коллективный ответ системы частиц на внешнее возбуждение. Находящиеся в минимуме потенциала частицы в идеале можно без затрат энергии двигать вокруг центрального максимума потенциала — это соответствует голдстоуновским модам. Чтобы их подтолкнуть в перпендикулярном направлении придется затратить энергию, так как частиц придется поднимать из состояния с наинизшей энергией — этому процессу соответствуют хиггсовские моды.

«Обычно голдстоуновские и хиггсовские моды определяют косвенными методами на основе затраченной энергии, — говорит соавтор работы Андреа Моралес из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. — Однако нам удалось наблюдать за этими модами в реальном времени в процессе возмущения системы внешним воздействием». Авторы использовали облако атомов рубидия при сверхнизкой температуре, помещенное в электромагнитный потенциал, задаваемый двумя оптическими резонаторами. В результате взаимодействия света и атомов последние выстраивались в нужную систему. Такая конфигурация вещества обладает как упорядоченностью, так и свойствами сверхтекучей жидкости, за что была названа сверхтекучим твердым телом. Всю систему затем возмущали при помощи лазерного импульса.

«В такой синтетической квантовой системе мы имеем почти идеальную реализацию естественных процессов, протекающих в твердых телах и отдельных молекулах, — подытоживает руководитель коллектива Тильман Эсслингер. — Непосредственное наблюдение динамики голдстоуновских и хиггсовских мод позволит лучше понять процессы в природных системах».