В квантовых каплях — новом состоянии вещества, известном всего несколько лет («сжиженный» конденсат Бозе-Эйнштейна) — могут наблюдаться необычные квантовые волны — солитоны с очень интересными свойствами — согласно анализам польских физиков.
Теоретическая статья ученых из Центра теоретической физики Польской академии наук была опубликована в престижном журнале Physical Review Letters ( DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.043401 ).
Одиночество
Солитоны — это самоподдерживающиеся волны, вызванные так называемым нелинейные эффекты в веществе. Их можно рассматривать как смещающееся увеличение (или уменьшение) плотности материи. Такие волны могут распространяться в самых разных средах и известны своей устойчивостью. Однажды возбужденный солитон путешествует, не меняя формы, на большие расстояния (в теории - бесконечно большие). Даже если встречает на своем пути преграду - преодолевает ее, и бегущая дальше волна выглядит так же, как и раньше.
Солитоны сравнительно легко возбудить, наблюдать и описывать в узких и длинных пространствах — каналах, трубках, оптических волокнах.
- Простейшей экспериментальной установкой, в которой наблюдались солитоны, был прибрежный канал с водой. В первых экспериментах более 100 лет назад лошади шли по берегу канала и тащили груз по воде. При определенных условиях таким образом можно создать единую волну - горку на воде. Он не только равномерно движется в русле, но его еще можно увидеть, когда он вытекает из русла далеко в море, — говорит проф. Кшиштоф Павловский из CFT PAN.
«Солитоны могут показаться очень эзотерическими, но они являются важной темой во многих разделах физики и математики», — описывает проф. Павловский. Он добавляет, что солитоны можно использовать в телекоммуникациях — устойчивые волны, не меняющие форму, могут быть полезны при передаче информации — например, в оптических волокнах.
Капля конденсата потребностей
Солитоны можно получить в разных телах. И теперь группа польских теоретиков впервые показала, что их можно получить и в квантовых каплях — состоянии вещества, известном всего несколько лет.
проф. Павловский напоминает, что впервые квантовые капли были обнаружены случайно — в эксперименте 2016 года с конденсатом Бозе-Эйнштейна (в группе Тильмана Пфау в Штутгарте).
Конденсат в концентрате
Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна? - Каждая частица является волной и частицей одновременно. Атомы тоже волнообразны по своей природе, но их длины волн ультракороткие — порядка размера атомов. Оказывается, однако, что если температура очень низкая, волновая природа атомов проясняется — атом становится более «размытым».Если же частиц много и это бозоны, то их волны складываются, создавая одну макроскопическая волна материи.Их объединяет одна волновая функция "Так все частицы. В стандартном материале мы знаем, где какой атом. А в конденсате атомы "разлиты" - они заполняют весь объем газового облака" - — говорит физик, соавтор публикации.
Такое состояние вещества до сих пор наблюдалось в ультрахолодных, очень разреженных газах, где частицы отделяются от окружающей среды электромагнитными ловушками.
- Конденсат изучается уже несколько десятков лет, и никто не ожидал, что он удивит нас чем-то еще, - говорит ученый. Однако оказалось, что при определенных условиях конденсат можно разделить на вытянутые левитирующие капли. Они имеют форму трубок диаметром порядка ста микрометров. «Они более или менее похожи на капли воды на столе: у них поверхностное натяжение и плоская вершина», — описывает ученый. Так что можно представить, что квантовые капли — это сжиженный конденсат Бозе-Эйнштейна.
Пока мало что известно о свойствах квантовых капель. Теоретики, однако, проверяют, какие интересные вещи можно наблюдать в связи с ними.
Волны в каплях
Теперь команда из Польши впервые показала, что солитоны можно наблюдать в квантовых каплях. Как оказалось, солитоны в квантовых каплях могут быть сколь угодно широкими. Это интересный вывод, потому что солитоны в конденсате Бозе-Эйнштейна трудно наблюдать вживую, потому что они очень узкие.
- Если ультрахолодные газы атомов обладают магнитными свойствами, то мы предполагаем, что атомы там правильно расположены - магнитное поле создает тонкую трубку, в которой находятся частицы. В такой трубке могут двигаться солитоны. Мы имеем дело с темными солитонами, которые видны как разрежение вещества внутри трубки, — описывает ученый.
До сих пор солитоны в конденсате имели ширину в доли микрометра, что ниже разрешающей способности оптических микроскопов. Так что сфотографировать или записать их на видео не получится. Это может измениться, если принять во внимание квантовые падения.
- В нашем исследовании мы показываем, что шириной солитонов можно управлять в квантовых каплях. Они могут быть сколь угодно широкими, — говорит исследователь. Ограничением является, конечно, размер квантовой капли.
Первый автор работы Януш Копычинский, работающий над докторской диссертацией в CFT PAS, вспоминает, как он себя чувствовал после нескольких месяцев попыток решить уравнение, описывающее поведение ультрахолодных атомов (это уравнение состояло только из одной строки). «В то время я сказал в разговоре: «Я не думаю, что этот результат особенно интересен, но я хотел бы быть удивлен». А потом, когда я наконец сделал график, показывающий ширину солитона, мои глаза расширились от изумления. Я нервно бросился проверять расчеты, но каждый последующий подход заканчивался одним и тем же выводом — ширину этих солитонов можно менять в неограниченном диапазоне, — говорит Януш Копычински.
- Это теоретический результат, ожидающий экспериментального подтверждения. Однако я надеюсь, что вскоре появятся группы, которые будут создавать солитоны в квантовых каплях и измерять их, — говорит проф. Павловский.
Профессор на вопрос, качается ли такая необычная волна внутри капли или перескакивает на другие близлежащие капли, говорит, что при прохождении через каплю солитон не меняет формы и должен наблюдаться в последующих каплях на пути этой волны.
Януш Копычински отмечает, что исследование этой области знаний является довольно сложной задачей, но также очень мотивирует. - Это очень быстрорастущая ветвь нашей области, и каждая новая крупица знаний улучшает наше понимание мира и может стать интересной отправной точкой для дальнейших открытий. Открытия, которые, надеюсь, когда-нибудь найдут повседневное применение, - резюмирует аспирант.
