01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Физика
6 марта

У газа и сверхтекучего гелия нашли общие свойства

Квазичастица ротон в представлении художника
Christopher Ticknor/LANL, Ryan Wilson/Brad Baxley/JILA

Физики экспериментально обнаружили существование особых квазичастиц — ротонов — в газе ультрахолодных атомов. Ранее эти частицы были известны только для сверхтекучих жидкостей, таких как гелий при близкой к абсолютному нулю температуре. Они отвечают за многие интересные свойства подобных квантовых систем, например, за существование коротковолновых вихрей. Статья с результатами опубликована в журнале Nature Physics.

Сверхтекучесть — это макроскопический квантовый эффект, который был обнаружен в гелии около 80 лет назад. В среде с такими свойствами квантовые явления проявляются на масштабе, на много порядков превышающем размер частиц. Поведение таких жидкостей в основном определяется двумя типами возбуждений — квазичастицами фононами и ротонами. Первые — это кванты звуковых волн, они существуют еще и в кристаллах. Ротоны же намного интересней: они обладают конечной эффективной массой, большим импульсом и, в отличие от большинства других частиц, для них характерна немонотонная связь между энергией и импульсом — при некотором ненулевом значении импульса энергия принимает минимальное значение.

Ультрахолодные газы, также как и сверхтекучий гелий, — это реализация квантового конденсата Бозе — Эйнштейна. Впервые они были получены только в 1995 году. Считалось, что ротонов в таких газах быть не может из-за их намного более низкой плотности, однако, в 2003 году появилось теоретическое предсказание, что если между частицами происходит специфическое магнитное дипольное взаимодействие, ротоны должны возникать и при малой плотности.

В новой работе международный коллектив из Австрии и Германии исследовал конденсат из атомов эрбия с известным сильным магнитным взаимодействием. «Мы использовали лазерную оптическую ловушку в форме сигары для того, чтобы ориентировать диполи атомов, — поясняет первый автор Лориан Чомаз из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца. — Дальнодействующий характер дипольного взаимодействия приводит к различию направлений в ловушке». В результате атомы, чьи магнитные диполи ориентированы поперек наибольшего измерения ловушки, притягиваются, а при продольной ориентации — отталкиваются. Вследствие этого в облаке атомов в продольном направлении возникают возбуждения с характерной длиной волны, которая равна поперечному размеру. Они соответствуют ротонам.

Авторы называют полученную систему хорошей моделью для исследования сверхтекучести, так как в экспериментальном плане атомами конденсата в газовой фазе управлять намного проще. Также с помощью вещества в таком состоянии можно изучать еще более парадоксальную фазу материи — сверхтекучее твердое тело, которое обладает одновременно и свойствами квантовой жидкости, и свойствами твердого тела. Впервые оно было получено совсем недавно в системе из атомов и света, но магнитное взаимодействие открывает новые перспективы.

Комментарии

Все комментарии
Обсуждаемое