html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики увидели в бозе-конденсате новый тип коллективного возбуждения


S. Lepoutre et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из Франции обнаружили новый тип коллективных возбуждений в бозе-конденсате атомов хрома, имеющих «дополнительные» степени свободы за счет взаимодействия спина и внешнего магнитного поля. Измерив на практике и вычислив теоретически характерные частоты колебаний и энергетический спектр возникающих квазичастиц, ученые обнаружили, что эксперимент хорошо согласуется с теорией. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В классической механике координата и импульс частицы могут принимать произвольные значения, а потому движение любой системы, состоящей из N частиц, можно исчерпывающе описать траекторией в фазовом пространстве — 6N-мерном пространстве, по осям которого отложены координаты и проекции импульса каждой из частиц. Однако в квантовой механике координата и импульс связаны соотношением Гейзенберга, и произведение их неопределенностей не может быть меньше фиксированной величины (Δx∙Δp ≥ ħ/2). Из-за этого движение частиц квантуется, а фазовое пространство разбивается на ячейки объемом (2πħ)N. Чем меньше температура системы (то есть средняя энергия частиц) — тем меньше ей доступно ячеек в фазовом пространстве, и тем сильнее проявляются квантовые эффекты. В случае, когда частицы являются бозонами, то есть подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, ничто не запрещает им собраться в самом низком энергетическом состоянии, одинаковом для всех частиц; такое явление называют конденсацией, а возникающее в результате состояние вещества — конденсатом Бозе — Эйнштейна. Подробнее про это явление можно прочитать в нашем материале «Квантовые газы при низких температурах».

Из-за того, что все атомы бозе-конденсата «сидят» в одном и том же квантовом состоянии, при внешнем воздействии они ведут себя практически как одно целое. Поэтому явления, которые возникают в конденсатах, называют коллективными. Известные примеры коллективных явлений — это сверхтекучесть и сверхпроводимость; в последнем случае элементарные частицы (электроны) не являются бозонами сами по себе, однако объединяются в куперовские пары, которые тоже умеют «собираться» в одном состоянии. Хороший способ изучить коллективные явления — вывести конденсат из равновесия и возбудить в нем колебания. В качестве примера таких возбуждений можно привести «моды-ножницы» (Scissors Modes) или топологически стабильные вихри в конденсате холодных атомов рубидия-87; в свое время исследования этих возбуждений помогли лучше понять, как частицы газа взаимодействуют между собой.

В новой статье группа физиков под руководством Лоран Верна (Laurent Vernac) описывает коллективные возбуждения в не совсем типичном бозе-конденсате, имеющем «дополнительные» степени свободы за счет взаимодействия с внешним магнитным полем. Чтобы получить такой конденсат, ученые поместили в оптическую ловушку 40 тысяч атомов хрома-52, находящихся в нижнем спиновом состоянии (спин S = 3) с магнитным квантовым числом m = −3. В этом случае «дополнительная» степень свободы связана с ориентацией спинов. Затем исследователи наложили на конденсат однородное магнитное поле величиной около одного гаусса, выстроили с помощью радиоимпульса спины атомов перпендикулярно полю и добавили к нему небольшой постоянный градиент (так что проекция напряженности поля на ось абсцисс Bx = B0 + b∙x). Наконец, чтобы определить состояние конденсата спустя некоторое время после начала опыта, ученые выключали оптическую ловушку, накладывали на систему гораздо более сильный градиент магнитного поля и измеряли спектр поглощения системы. Этот подход напоминает опыт Штерна — Герлаха и позволяет разделить состояния с разной проекцией спинов, а потом измерить число частиц, которые в них находятся.

Схема экспериментальной установки (слева) и пример спектра поглощения, на котором отчетливо видно разделение атомов по спинам (справа)

S. Lepoutre et al. / Phys. Rev. Lett.


В результате ученые обнаружили, что населенность каждого из состояний pm(t) и расстояние δ(t) между полосками, возникшими после разделения, периодически изменяются со временем, причем колебания величин скоррелированы. Кроме того, амплитуда колебаний зависит от величины приложенного градиента поля b и стремится к нулю в пределе b → 0, а их частота заметно отличается от характерной частоты удерживающего потенциала оптической ловушки. Это значит, что оба вида колебаний должны быть связаны — другими словами, магнитное поле возбуждает в конденсате коллективную моду колебаний (квазичастицы), которая «перекачивает» энергию из спиновых степеней свободы в пространственные и обратно.

Зависимость населенности состояний pm с m = −3 и m = 0 от времени, прошедшего после приложения радиоимпульса

S. Lepoutre et al. / Phys. Rev. Lett.

Зависимость расстояния между полосками в спектре поглощения δ от времени, прошедшего после приложения радиоимпульса

S. Lepoutre et al. / Phys. Rev. Lett.

Сравнение амплитуды колебаний pm(t) и δ(t) (красные и черные точки соответственно) и теоретических предсказаний (синяя линия)

S. Lepoutre et al. / Phys. Rev. Lett.


Чтобы подтвердить это предположение, физики построили теоретическую модель, описывающую полученный конденсат. Эта модель предполагает, что в течение опыта конденсат постоянно остается локально поляризованным, то есть напоминает ферромагнетик, в котором спины в малой окрестности выбранной точки направлены в одну и ту же сторону, а полная длина спинов не изменяется (меняется только их ориентация). При таких предположениях конденсат можно рассматривать как ферромагнитную жидкость, которая описывается уравнением Гросса-Питаевского. Чтобы упростить решение уравнения, исследователи предложили анзац для пространственной зависимости спина и плотности конденсата — иначе говоря, угадали общий вид этих решений, затем подставили их в уравнение и определили недостающие коэффициенты и функции. Это позволило физикам найти дисперсию (энергетический спектр) возникающих в конденсате квазичастиц — магнонов, — а также характерные частоты и амплитуды колебаний. Оказалось, что теоретические значения хорошо совпадают с экспериментальными в пределе b → 0 (расхождение порядка трех процентов).

Бозе-конденсаты часто помогают физикам изучать более сложные системы. Например, с их помощью ученым удалось смоделировать расширение Вселенной и одномерную электронную жидкость Латтинжера, увидеть осцилляции Блоха и ридберговские поляроны, получить трехмерные скирмионы и узловые солитонные волны, а также одновременно возбудить хиггсовскую и голдстоуновскую моду колебаний. Кроме того, иногда ученые находят в бозе-конденсате красивые явления — например, заставляют их рассыпаться фейерверком или принимать форму лягушки.

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

2

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции