Физики прижали атомы ближе, чем когда-либо и обнаружили невозможные квантовые эффекты

Фото: Live Science

С помощью лазеров физики смогли прижать два слоя очень холодных атомов на расстояние всего 50 нанометров, что в 10 раз ближе, чем в других экспериментах. В результате ученые обнаружили необычные квантовые эффекты, которые не видели ранее. Такая близость атомов позволит физикам впервые изучить квантовые взаимодействия в таком масштабе и может привести к созданию инновационных сверхпроводников и квантовых компьютеров. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science, пишет Live Science.

Необычная материя

Странное квантовое поведение атомов начинает возникать, когда их охлаждают до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. В этом случае атомы занимают самое низкое из возможных энергетических состояний. По словам ученых, в этом случае часто возникает такой тип материи как конденсат Бозе-Эйнштейна, когда все частицы ведут себя как волны. В итоге они становятся квантово-механическими объектами. О том, что из себя представляет вышеуказанное странное состояние материи, Фокус уже подробно писал.

Взаимодействия между отдельными атомами имеют важное значение для понимания таких квантовых явлений, как сверхпроводимость и сверхизлучение. Но сила таких взаимодействий зависит от расстояния между атомами.

Сложности с проверкой теорий

По словам ученых, большинство атомов, которые используются в экспериментах с ультрахолодной материей, должны находится очень близко, чтобы вступать во взаимодействие и можно было изучить квантовые эффекты.

В рамках нового исследования ученые использовали два слоя из атомов диспрозия, которые могут взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях с помощью диполь-дипольных взаимодействий. Но есть квантовые явления, которые невозможно увидеть на таком расстоянии между атомами, ведь дипольное взаимодействие очень слабое.

Сблизить очень холодные атомы и при этом сохранить контроль над их квантовыми состояниями очень сложно. До сих пор физики не могли в полной мере проверить теоретические предсказания об эффектах этих квантовых взаимодействий.

По словам ученых, с помощью лазеров ранее удавалось сблизить атомы только на расстояние 500 нанометров. Для сравнения, ширина человеческого волоса составляет 80 000–100 000 нанометров.

Новый прорыв в физике

Но теперь физикам удалось приблизить атомы на расстояние в 10 раз ближе используя такое квантовое свойство атомов диспрозия, как спин (собственный момент импульса). Спин атома имеет разные направления и немного разное энергетическое состояние. Поэтому ученые использовали два лазерных луча с разной частотой излучения и поляризацией света.

В результате физикам удалось сблизить два слоя атомов диспрозия на расстояние 50 нанометров и в результате была увеличена сила взаимодействия в 1000 раз, по сравнению с расстоянием в 500 нанометров.

Невозможный квантовый эффект

После этого физики начали изучать квантовые взаимодействия в таком масштабе. Они нагрели один из слоев атомов, который был отделен пустотой от другого слоя. Неожиданно, ученые обнаружили, что происходит передача тепла через пустоту от одного слоя к другому.

Авторы объясняют, что для передачи тепла нужен контакт между слоями или наличие излучения, но этого не было и теплообмен продолжался, что казалось невозможным. Ученые считают, что такая невозможная передача тепла является одним из странных квантовых эффектов, но скорее всего есть и другие. Физики намерены продолжить изучение квантовых взаимодействий в таком масштабе.

Особенно физиков интересует квантовый эффект под названием спаривание Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Это квантовое связанное состояние, которое испытывают некоторые частицы под названием фермионы, когда их охлаждают до сверхнизкой температуры. Спаривание БКШ между слоями атомов имеет огромное значение при изучении сверхпроводимости.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform