Обнаружено новое состояние вещества в квантовом газе

Американские физики разработали квантовый аналог винта Архимеда, который вместо воды перемещает скопления атомов газа в более высокие энергетические состояния. Результаты эксперимента описаны в журнале Science.

Недавно физики подтвердили существование "квантовых шрамов" — нестабильных квантовых состояний как элементов квантового хаоса — в системе со многими взаимодействующими частицами, известной как квантовая система многих тел. Теперь же исследователи из Стэнфордского университета впервые получили состояние квантового шрама в квантовом газе. Это удалось благодаря тому, что они добавили в квантовый эксперимент магнетизм.

Квантовые шрамы — чрезвычайно редкое состояние в хаотической квантовой системе, когда частицы повторяют собственные треки, как люди, которые ходят по одним и тем же тропинкам. Такое состояние хаотических систем представляет особый интерес, так как достижение температурного или теплового равновесия в различных частях квантовых систем и противодействие так называемой "термализации" — это ключ к созданию стабильных квантовых систем, которые помогут реализовать новые технологии, такие как квантовые компьютеры.

"Я ожидал от нашей системы, что стабильность газа изменится лишь немного, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Бенджамина Лева (Benjamin Lev), доцента прикладной физики и физики Школы гуманитарных и естественных наук в Стэнфорде. — Я не ожидал, что увижу его резкую, полную стабилизацию. Это было за пределами моих самых смелых предположений".

Исследователи создали весьма необычную экспериментальную систему, называемую супергазом Тонкса-Жирардо. Такая система представляет из себя высоковозбужденный одномерный квантовый газ, атомы которого ограничены одной линией движения. Даже под действием экстремальных сил они теоретически не должны сжиматься в шарообразную массу, как это делают атомы нормальных газов. Однако на практике они разрушаются.

Физики из Стэнфорда предположили, что газ Тонкса-Жирардо, состоящий из атомов сильного магнитного элемента диспрозия, будет немного сильнее сопротивляться коллапсу, чем немагнитные газы. Но результат превзошел все ожидания ученых.

"Магнитные взаимодействия, которые мы смогли добавить, были очень слабыми по сравнению с притягивающими взаимодействиями, которые уже присутствовали в газе, — объясняет Лев. — Поэтому мы думали, что мало что изменится, что газ все равно схлопнется, просто не так легко. Но мы оказались неправы".

Полученный газ из атомов диспрозия в конечном итоге привел к получению супергаза Тонкса-Жирардо, который оставался стабильным, несмотря ни на что. Даже когда исследователи поднимали систему до более высокого энергетического состояния, атомы не коллапсировали.

Результаты эксперимента были неожиданными даже для авторов. Они честно признаются, что пока не знают, будет ли у их открытия в ближайшее время какое-либо практическое применение. Но, несомненно, это шаг вперед в изучении квантовых состояний, отмечают ученые.