Физики прижали атомы ближе, чем когда-либо и обнаружили невозможные квантовые эффекты
С помощью лазеров физики смогли прижать два слоя очень холодных атомов на расстояние всего 50 нанометров, что в 10 раз ближе, чем в других экспериментах. В результате ученые обнаружили необычные квантовые эффекты, которые не видели ранее. Такая близость атомов позволит физикам впервые изучить квантовые взаимодействия в таком масштабе и может привести к созданию инновационных сверхпроводников и квантовых компьютеров. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science, пишет Live Science.
Необычная материя
Странное квантовое поведение атомов начинает возникать, когда их охлаждают до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. В этом случае атомы занимают самое низкое из возможных энергетических состояний. По словам ученых, в этом случае часто возникает такой тип материи как конденсат Бозе-Эйнштейна, когда все частицы ведут себя как волны. В итоге они становятся квантово-механическими объектами. О том, что из себя представляет вышеуказанное странное состояние материи, Фокус уже подробно писал.
Взаимодействия между отдельными атомами имеют важное значение для понимания таких квантовых явлений, как сверхпроводимость и сверхизлучение. Но сила таких взаимодействий зависит от расстояния между атомами.
Сложности с проверкой теорий
По словам ученых, большинство атомов, которые используются в экспериментах с ультрахолодной материей, должны находится очень близко, чтобы вступать во взаимодействие и можно было изучить квантовые эффекты.
В рамках нового исследования ученые использовали два слоя из атомов диспрозия, которые могут взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях с помощью диполь-дипольных взаимодействий. Но есть квантовые явления, которые невозможно увидеть на таком расстоянии между атомами, ведь дипольное взаимодействие очень слабое.
Сблизить очень холодные атомы и при этом сохранить контроль над их квантовыми состояниями очень сложно. До сих пор физики не могли в полной мере проверить теоретические предсказания об эффектах этих квантовых взаимодействий.
По словам ученых, с помощью лазеров ранее удавалось сблизить атомы только на расстояние 500 нанометров. Для сравнения, ширина человеческого волоса составляет 80 000–100 000 нанометров.
Новый прорыв в физике
Но теперь физикам удалось приблизить атомы на расстояние в 10 раз ближе используя такое квантовое свойство атомов диспрозия, как спин (собственный момент импульса). Спин атома имеет разные направления и немного разное энергетическое состояние. Поэтому ученые использовали два лазерных луча с разной частотой излучения и поляризацией света.
В результате физикам удалось сблизить два слоя атомов диспрозия на расстояние 50 нанометров и в результате была увеличена сила взаимодействия в 1000 раз, по сравнению с расстоянием в 500 нанометров.
Невозможный квантовый эффект
После этого физики начали изучать квантовые взаимодействия в таком масштабе. Они нагрели один из слоев атомов, который был отделен пустотой от другого слоя. Неожиданно, ученые обнаружили, что происходит передача тепла через пустоту от одного слоя к другому.
Авторы объясняют, что для передачи тепла нужен контакт между слоями или наличие излучения, но этого не было и теплообмен продолжался, что казалось невозможным. Ученые считают, что такая невозможная передача тепла является одним из странных квантовых эффектов, но скорее всего есть и другие. Физики намерены продолжить изучение квантовых взаимодействий в таком масштабе.
Особенно физиков интересует квантовый эффект под названием спаривание Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Это квантовое связанное состояние, которое испытывают некоторые частицы под названием фермионы, когда их охлаждают до сверхнизкой температуры. Спаривание БКШ между слоями атомов имеет огромное значение при изучении сверхпроводимости.