Квантовый эксперимент показывает, что частицы могут образовывать системы почти из ничего

Сколько частиц вам нужно, чтобы отдельные атомы начали вести себя коллективно? Согласно новому исследованию, это число невероятно мало. Всего шесть атомов начнут переходить в макроскопическую систему при правильных условиях.

Используя специально разработанную ультрахолодную лазерную ловушку, физики наблюдали квантовый предшественник перехода от нормальной к сверхтекучей фазе, что позволило изучить возникновение коллективного поведения атомов и пределы макроскопических систем.

Физика многих тел — это область, которая стремится описать и понять системное поведение большого числа частиц: ведра с водой, например, или баллона с газом. Мы можем описать эти вещества с точки зрения их плотности или температуры — того, как вещество действует в целом.

Их называют макроскопическими системами или системами многих тел, и мы не можем понять их, просто изучая поведение отдельных атомов или молекул. Скорее, их поведение возникает из-за взаимодействий между частицами, которые по отдельности не обладают теми же свойствами, что и система в целом.

Некоторые примеры макроскопического поведения, которое невозможно описать микроскопически, включают коллективные возбуждения, такие как фононы, которые колеблют атомы в кристаллической решетке. Фазовые переходы — еще один пример — когда вещество переходит из одной фазы в другую — например, когда лед плавится в жидкость, или когда жидкость испаряется в газ.

Физики давно пытались понять, как совместное поведение возникает из постепенного сближения отдельных частиц — как макроскопическое возникает из микроскопического.

Поэтому группа исследователей из Гейдельбергского университета разработала эксперимент, чтобы попытаться выяснить это.

Эксперимент состоял из сфокусированного лазерного луча, действующего как «ловушка» для ультрахолодных атомов стабильного изотопа лития-6. При охлаждении в газе до доли градуса выше абсолютного нуля этот фермионный изотоп может вести себя как сверхтекучий, с нулевой вязкостью.

В лазерной ловушке можно было удерживать очень небольшое количество атомов лития, что фактически становилось симулятором квантового поведения. В рамках этой системы ученые могли настраивать взаимодействия между атомами с помощью резонансов Фешбаха.

Эти резонансы возникают, когда энергия двух взаимодействующих атомов входит в резонанс со связанным состоянием молекулы, и их можно использовать для изменения силы взаимодействия между частицами.

В каждом эксперименте исследователи вводили до двух, шести или 12 атомов лития-6 в лазерную ловушку, наблюдая, когда атомы начинают вести себя коллективно.

«С одной стороны, количество частиц в системе достаточно мало, чтобы описать систему микроскопически», — пояснил ведущий исследователь Лука Байха. «С другой стороны, совместные эффекты уже очевидны».

Исследователи настроили ловушку с нулевого притяжения до такого сильного притяжения, что атомы соединились в связанные пары. Это требование для образования фермионной сверхтекучей жидкости — фермионные частицы должны быть связаны вместе как куперовские пары, которые действуют как бозоны, более тяжелая частица, которая образует сверхтекучую фазу при более высоких температурах, чем фермионы.

В каждом эксперименте команда изучала, когда возникает коллективное поведение, в зависимости от количества частиц и силы взаимодействия между ними. Они обнаружили, что возбуждение частиц было связано не только с силой притяжения между ними, но и что они были предшественником нескольких тел квантового фазового перехода в сверхтекучую жидкость куперовских пар.

«Удивительным результатом нашего эксперимента является то, что всего шесть атомов демонстрируют все признаки фазового перехода, ожидаемого для системы многих частиц», — сказал физик Марвин Холтен.

Степень контроля, полученная исследователями, по словам команды, будет полезна в будущем для других исследований, таких как изучение процесса термализации в квантовых системах.

Они также смогут проводить исследования фермионной сверхтекучей жидкости на фундаментальном уровне и исследовать появление куперовских пар в более крупных системах.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источники: Фото: (Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre)