Квазичастицы, называемые ротонами, существование которых практически 80 лет назад предсказал советский физик Лев Ландау, были впервые обнаружены в конденсате Бозе — Эйнштейна, образованном ультрахолодными атомами. Об этом эксперименте сообщается в свежей статье, опубликованной в журнале Nature Physics.
Ротоны впервые появились в знаменитой работе Льва Ландау, пытавшегося объяснить явление сверхтекучести гелия — странного квантового состояния этого вещества, при котором оно полностью теряет вязкость. Наряду с квантам звука — фононами — ротоны в теории Ландау и были призваны объяснить этот удивительный феномен. Ротон представляет собой квазичастицу, то есть некий квант или возбуждение, обладающий корпускулярными свойствами.
Отличить фононы от ротонов можно по их дисперсионной характеристики — зависимости энергии этих квазичастиц от их импульса. В отличии от фононов, у которых энергия с ростом импульса также растёт, ротоны могут обладать одновременно большим импульсом, но малой энергией.
Конденсатом Бозе — Эйнштейна или просто бозе-конденсатом называют состояние квантовой системы, состоящей из большого числа частиц, при котором все эти частицы находятся в одном и том же, самом низком, энергетическом состоянии. Обычно для его наблюдения используют атомы, пойманные в оптическую ловушку и охлаждённые до сверхнизких температур.
Бозе-конденсат во многом похож на сверхтекучие жидкости, но вплоть до 2003 года считалось, что из-за низкой концентрации частиц, ротоны в нём существовать не могут. Затем, однако, было показано, что при определённых условиях ротоны всё же могут образовываться — для этого между частицами конденсата должно существовать дальнодействующее анизотропное магнитодипольное взаимодействие.
В свежей работе учёным удалось создать такие условия в охлаждённом облаке из 100 000 атомов эрбия, помещённом с сигаровидную оптическую ловушку. В такой системе атомные диполи притягиваются друг к другу, если они направлены вдоль коротких осей «сигары», и отталкиваются — если вдоль длинных. Проведя измерения, экспериментаторы обнаружили характерные для ротонов пики в импульсном спектре бозе-конденсата.
В дальнейшем учёные планируют изучить относительное влияние фононов и ротонов на динамику бозе-конденсата и выяснить роль ротонов в образовании квантовых каплей. Кроме того, экспериментаторы надеются обнаружить ротоны в сверхтекучих кристаллах, которые также можно создать при бозе-конденсации.
Подписывайтесь на мой канал в Telegram!