Новости науки

Физики обнаружили, что облака ультрахолодных атомов могут образовывать «квантовые торнадо».


Увеличить / (lr) Квантовый газ сначала появляется как удлиненный стержень. Когда он вращается, он становится спиральным, а затем распадается на капли, каждая из которых представляет собой вращающуюся массу. Между сгустками появляются регулярно повторяющиеся серии крошечных вихрей.
Массачусетский технологический институт/природа

Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Nature, физикам из Массачусетского технологического института удалось заставить «квантовые торнадо» формироваться в облаках сверххолодных атомов. Это первая прямая на месте документация того, как развивается быстро вращающийся квантовый газ, и, по мнению авторов, этот процесс напоминает то, как вращательные эффекты Земли могут вызывать крупномасштабные погодные условия.

Ученые Массачусетского технологического института интересовались изучением так называемых квантовых холловских жидкостей. Квантовая жидкость Холла, впервые обнаруженная в 1980-х годах, состоит из облаков электронов, плавающих в магнитных полях. В классической системе электроны отталкивались бы друг от друга и образовывали кристалл. Но в квантовых жидкостях Холла электроны имитируют поведение своих соседей — свидетельство квантовой корреляции.

«Люди открыли 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», — сказал соавтор Ричард Флетчер. , физик из Массачусетского технологического института. «Итак, возник весь этот мир. Но его было чрезвычайно трудно наблюдать и понимать».

Но движение электронов в магнитном поле чрезвычайно мало и его трудно наблюдать. Поэтому Флетчер и его соавторы подумали, что смогут смоделировать это необычное поведение электронов, используя облака ультрахолодных квантовых газов. Известные как конденсаты Бозе-Эйнштейна (БЭК), эти газы названы в честь Альберта Эйнштейна и индийского физика Сатьендры Бозе. В 1920-х годах Бозе и Эйнштейн предсказали возможность того, что волнообразная природа атомов может позволить атомам распространяться и перекрываться, если они упакованы достаточно плотно друг к другу.

При нормальной температуре атомы действуют как бильярдные шары и отскакивают друг от друга. Снижение температуры снижает их скорость. Если температура станет достаточно низкой (миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля) и атомы будут достаточно плотно упакованы, различные материальные волны смогут «чувствовать» друг друга и координировать себя, как если бы они были одним большим «суператомом».

Последовательное возникновение конденсации Бозе-Эйнштейна в рубидии.  (слева направо) Распределение атомов в облаке непосредственно перед конденсацией, в начале конденсации и после полной конденсации.
Увеличить / Последовательное возникновение конденсации Бозе-Эйнштейна в рубидии. (слева направо) Распределение атомов в облаке непосредственно перед конденсацией, в начале конденсации и после полной конденсации.
Всеобщее достояние

Первые BEC были созданы в 1995 году, и в течение нескольких лет эксперимент повторили более трех десятков команд. Открытие, удостоенное Нобелевской премии, положило начало совершенно новой области физики. БЭК позволяют ученым изучать странный, маленький мир квантовой физики, как если бы они смотрели на него через увеличительное стекло, потому что БЭК «усиливает» атомы так же, как лазеры усиливают фотоны.

Ультрахолодные атомарные газы хорошо имитируют электроны в твердых телах, но им не хватает заряда. Эта нейтральность может затруднить моделирование таких явлений, как квантовый эффект Холла. Одним из способов преодоления этого препятствия является использование такой нейтральной системы.

«Мы подумали, давайте заставим эти холодные атомы вести себя так, как если бы они были электронами в магнитном поле, но при этом мы могли бы точно контролировать», — сказал соавтор Мартин Цвирляйн, также физик из Массачусетского технологического института. «Тогда мы можем визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотреть, подчиняются ли они одной и той же квантово-механической физике».

Используя лазерную ловушку, ученые Массачусетского технологического института охладили около 1 миллиона атомов газа натрия; охлажденные атомы удерживались на месте магнитным полем. Второй этап — испарительное охлаждение, при котором сеть магнитных полей выбрасывает самые горячие атомы, чтобы более холодные атомы могли двигаться ближе друг к другу. Процесс работает почти так же, как испарительное охлаждение чашки горячего кофе: более горячие атомы поднимаются наверх магнитной ловушки и «выпрыгивают» в виде пара.

Те же самые магнитные поля могут заставить атомы внутри ловушки вращаться со скоростью около 100 оборотов в секунду. Это движение было зафиксировано на ПЗС-камеру благодаря тому, как атомы натрия флуоресцируют в ответ на лазерный свет. Атомы отбрасывают тень, которую затем можно наблюдать с помощью метода, называемого абсорбционной визуализацией.

В течение 100 миллисекунд атомы превратились в длинную тонкую структуру, напоминающую иглу. В отличие от классической жидкости (например, сигаретного дыма), которая постоянно разжижается, у квантовой жидкости есть предел того, насколько она может разжижаться. Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что игольчатые структуры, которые образовались в их ультрахолодных газах, достигают этого предела тонкости. Исследователи описали свой вращающийся квантовый газ и связанные с ним результаты в прошлом году в журнале Science.

Волновые облака, формирующиеся над горой Дюваль, Новый Южный Уэльс, Австралия, из-за нестабильности Кельвина-Гельмгольца.
Увеличить / Волновые облака, формирующиеся над горой Дюваль, Новый Южный Уэльс, Австралия, из-за нестабильности Кельвина-Гельмгольца.
ГРАХАМУК/CC BY-SA 3.0

Эта последняя статья продвигает эксперимент Массачусетского технологического института еще на один шаг вперед, исследуя, как игольчатая жидкость может развиваться в условиях чистого вращения и атомных взаимодействий. Результат: возникла квантовая нестабильность, из-за которой жидкостная стрелка колебалась, а затем скручивалась. В конце концов жидкость кристаллизовалась в цепочку вращающихся сгустков, напоминающих торнадо — квантовый кристалл, полностью сформированный из атомных взаимодействий внутри вращающегося газа. Эволюция поразительно похожа на образования, называемые облаками Кельвина-Гельмгольца, в которых однородное облако начинает формировать последовательные пальцы в результате разницы скоростей (скорости и направления) между двумя потоками ветра в атмосфере.

«Эта эволюция связана с идеей о том, как бабочка в Китае может вызвать здесь шторм из-за нестабильности, вызывающей турбулентность», — сказал Цвирляйн. «Здесь у нас есть квантовая погода: жидкость, только из-за ее квантовой нестабильности, фрагментируется в эту кристаллическую структуру из меньших облаков и вихрей. И это прорыв, чтобы иметь возможность непосредственно видеть эти квантовые эффекты».

По-видимому, такое поведение было предсказано в более ранней статье других физиков, которую только что обнаружила команда Массачусетского технологического института. И есть некоторые потенциальные практические приложения для этого исследования, прежде всего, как высокочувствительные датчики вращения для подводной навигации. Подводные лодки полагаются на волоконно-оптические гироскопы для обнаружения вращательного движения, когда они находятся под водой, что создает контрольную интерференционную картину. Атомы движутся медленнее света, поэтому датчик квантового торнадо будет гораздо более чувствительным — возможно, даже достаточно чувствительным, чтобы измерять небольшие изменения во вращении Земли.

DOI: Nature, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (О DOI).


Source: https://arsteсhniсa.com/biz

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Краткое описание по статье Физики обнаружили, что облака ультрахолодных атомов могут образовывать «квантовые торнадо».

Название: Физики обнаружили, что облака ультрахолодных атомов могут образовывать «квантовые торнадо». . Краткое описание: ⭐ Увеличить / (lr) Квантов . Дата публикации: 01.02.2022 . Автор: Алишер Валеев .

Для чего создан сайт Novosti-Nedeli.ru

Данный сайт посвящен новостям мира и мира технологий . Также тут вы найдете руководства по различным девайсам.

Сколько лет сайту?

Возраст составляет 3 года

Кнопка «Наверх»