Эти "квантовые торнадо", созданные квантовыми исследователями из Массачусетского технологического института и Гарварда, являются последней демонстрацией квантовой механики - странного свода законов, управляющих Вселенной в ее тончайших, субатомных масштабах. Они созданы из маленьких облаков атомов натрия, вращающихся при температуре на доли градуса выше абсолютного нуля.
Существует хорошо отработанный метод глубокой заморозки атомов до таких ультрахолодных глубин. Он начинается с того, что атомы - чаще всего щелочных металлов - заключают в магнитную ловушку, а затем обстреливают их лазером. Может показаться странным использовать лазеры для охлаждения, но они производят луч света только с одной длиной волны (в данном случае желтой, чтобы соответствовать парообразному оттенку натрия). При точной настройке они могут замедлить атомы до такой степени, что они перестанут выделять тепло.
В итоге может получиться конденсат Бозе-Эйнштейна - эзотерическое состояние материи, в котором несколько атомов действуют как единое целое и ведут себя всевозможными невообразимыми квантовыми способами.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна могут показаться странными, и так оно и есть, но это своего рода странность, с которой физики привыкли иметь дело. Впервые они были предсказаны в 1920-х годах, а в 1995 году ученым удалось создать такой конденсат в лаборатории. Эти усилия принесли ученым Нобелевскую премию по физике 2001 года.
С тех пор в мире физики не прекращаются попытки поднять конденсаты Бозе-Эйнштейна на новые высоты (или новые минимумы, как это было). Например, физики уже некоторое время задавались вопросом, можно ли заставить атомы, замороженные в этом состоянии материи, вращаться.
Исследователи были заинтересованы в том, чтобы сделать это, потому что это идет по стопам того, что называется квантовой жидкостью Холла. Короче говоря, при определенных квантовых условиях и в магнитном поле облако электронов, которые обычно отталкивают друг друга, вместо этого начинает имитировать свойства друг друга. Это заставляет их действовать подобно молекулам воды в жидкости, текущей свободно.
Электроны трудно наблюдать, но физики решили, что вращение конденсата Бозе-Эйнштейна в водовороте может заставить атомы вести себя так же. Это привлекательно, потому что атомы намного, намного больше, чем электроны.
Эта последняя исследовательская группа - не единственная, которая пыталась вызвать вихрь. Сложность заключается в том, чтобы заставить атомы вращаться, не нарушая конденсат Бозе-Эйнштейна.
"Это довольно сложно - получить, по сути, это вращение под контролем", - говорит Питер Шаусс, физик из Университета Вирджинии, который не участвовал в новейшем эксперименте. "Легко как-то вращать его, но трудно вращать его так, чтобы не нагревать".
Группа Гарварда и Массачусетского технологического института попыталась сделать это, собрав миллион атомов натрия, охладив их до 100 миллиардных долей кельвина выше абсолютного нуля и поместив их в мощные электромагниты. Затем они раскрутили конденсат, надеясь, что смогут увидеть квантовую жидкость в движении.
Это сработало до определенного момента. Атомы образовали тонкую, похожую на иглу структуру, которая обладала свойствами искомой жидкости. Исследователи опубликовали результаты вплоть до этого момента в журнале Science в июне 2021 года.
Но они знали, что могут пойти дальше. Они решили продолжать вращать эту иглу, чтобы посмотреть, что произойдет. И тогда они заметили нечто необычное: Игла начала вращаться. Сначала она начала закручиваться в штопор. Затем завитки распались, раздробив иглу на множество маленьких квантовых шариков, каждый из которых начал вращаться. Отсюда квантовые торнадо.
Исследователи сравнивают это с теорией хаоса. Создание таких торнадо сродни известному примеру, когда крылья бабочки хлопают и вызывают бурю на другой стороне планеты, только этот процесс происходит в квантовом масштабе. Они опубликовали описание вихрей в журнале Nature в начале этого месяца.
Что же будет дальше? Как можно себе представить, заставить атомы сотрудничать на таком уровне нелегко. "Еще предстоит работа по созданию более стабильных лазеров, чтобы ... эффективно проводить такие эксперименты", - говорит Шаусс. "Многие из этих экспериментов ограничены этим".
Еще одна проблема: самые крошечные из этих квантовых торнадо состояли из 10 атомов каждый. Но некоторые физики считают, что можно пойти еще дальше - дойти до конденсата Бозе-Эйнштейна с одним атомом. Это действительно поможет физикам наблюдать, как некоторые заумные уравнения квантовой механики воспроизводятся в реальном мире (во всяком случае, с помощью очень сложных камер).
Пока ученые продолжают совершенствовать процесс создания этих вихрей и других форм ультрахолодной материи, их творения могут найти применение в таких технологиях, как сенсоры. Исследование MIT-Harvard финансировалось DARPA, которая хочет использовать вращающиеся конденсаты для обнаружения тонких подводных движений. Но до сих пор тонкости не были частью уравнения.
