Физики превратили облако атомов в квантовое бозе-стекло
|
Итальянские физики впервые смогли создать бозе-конденсат в хаотическом потенциале. Свойства такого «квантового бозе-стекла» отличаются от «обычного» бозе-конденсата, а его исследования важны для всей физики конденсированных сред.
Хорошая электрическая проводимость металлов — это проявление квантовой природы электронов. Двигаясь в металле под действием внешнего напряжения, электроны не «ударяются» об ионы кристаллической решетки, а как бы «просачиваются» сквозь них (см. статью Квантовый туннельный эффект). Происходит это потому, что ионы в решетке расположены в пространстве периодично, и когда периодичность электронной волны синхронизована с периодичностью решетки, то электроны летят, совершенно ее не замечая (подробнее см. в любом учебнике по квантовой теории твердых тел).
Если эту регулярность чем-то нарушить (дефектами решетки, чужеродными вкраплениями и т. д.), то перемещаться электронам станет гораздо труднее. Если же расположение атомов совсем хаотично, то движение электронов блокируется вовсе, и вещество становится не проводником, а изолятором. Можно сказать, что хаотический потенциал разрушает квантовые корреляции электронной волны и приводит к важнейшему эффекту — локализации волн-частиц.
Такое влияние «хаотичности» на движение электронов в кристаллах (и в других средах) известно уже давно (подробности см., например, в статье М. В. Садовский, УФН, 1981, вып. 2, в статье Андерсоновская локализация и в более популярной статье В. В. Румянцев, Соросовский образовательный журнал, 1999, ном. 2). Долгое время, однако, электроны оставались практические единственными частицами, для которых явление локализации наблюдалось экспериментально. И вот в свежей статье группы итальянских физиков-экспериментаторов L. E. Lye et al., Physical Review Letters, 95, 070401 (9 August 2005) (статья доступна также как cond-mat/0412167) докладывается о первом успешном наблюдении такой борьбы между квантовой синхронностью и хаотическим потенциалом в иной системе: в бозе-конденсате атомов рубидия.
Напомню, что атомный бозе-конденсат — это небольшое разреженное облачко атомов, находящееся при столь низкой температуре, что тепловое движение в нем практически замирает. Вместо этого на первое место выходят квантовые эффекты, которые позволяют атомам чувствовать присутствие друг друга даже находясь на большом расстоянии. Для частиц-бозонов такое обменное взаимодействие и приводит к бозе-конденсации: все облачко из многих миллионов атомов начинает вести себя словно одна большая и необычная частица. Именно за изучение свойств бозе-конденсатов была дана Нобелевская премия по физике за 2001 год.
До сих пор многочисленные опыты с бозе-конденсатом проверяли их макроскопические квантовые свойства (что, конечно, тоже очень интересно), но никто не наблюдал в явном виде «борьбу» между стремлением конденсата к повсеместной когерентности и деструктивной тенденцией хаоса. Именно последствия этой борьбы и постарались заметить итальянские физики, создавая и удерживая бозе-конденсат в лазерном луче с хаотическими спеклами.
Увеличивая интенсивность спеклов, они увидели, как облако-конденсат, который в нормальном состоянии имел округлый профиль, вдруг покрывался полосами, слабо связанными друг с другом, а потом и исчезал вовсе. Точнее, в сильном поле спеклов как раз и наблюдалась локализация: весь конденсат распадался на множество мелких «конденсатиков», каждый из которых сидел в своей потенциальной яме и ничего не «знал» о присутствии других конденсатов. Такое забавное состояние вещества, в котором сосуществовали квантовые эффекты и хаотичность, получило название квантового бозе-стекла, по аналогии с обычным стеклом с хаотическим расположением атомов.
Авторы работы отмечают, что представленные результаты — только начало их исследований. В их планы входит изучение того, как хаотическая добавка к потенциалу влияет на возбуждение и колебание бозе-конденсата, на явление сверхтекучести. Результаты этих экспериментов и их сопоставление с теоретическими расчетами будут интересны для всей физики конденсированных сред: ведь явление локализации встречается в ней повсюду.
Игорь Иванов
