Физики обнаружили невероятные "квантовые торнадо", образованные из ультрахолодных атомов

Ученые наблюдали потрясающую демонстрацию того, как классическая физика уступает место квантовому поведению, манипулируя жидкостью из ультрахолодных атомов натрия в отчетливое образование, похожее на торнадо.

Частицы ведут себя по-разному на квантовом уровне, отчасти потому, что в этот момент их взаимодействие друг с другом имеет над ними большую власть, чем энергия их движения.

Кроме того, конечно, есть умопомрачительный факт, что квантовые частицы не имеют определенного фиксированного местоположения, как вы или я, что влияет на их взаимодействие.

Охлаждая частицы до температуры, максимально близкой к абсолютному нулю, и устраняя другие помехи, физики могут наблюдать, что происходит, когда эти странные взаимодействия вступают в силу, как это только что сделала команда из Массачусетского технологического института.

"Это прорыв - иметь возможность непосредственно наблюдать эти квантовые эффекты", - говорит физик Мартин Цвиерлейн из Массачусетского технологического института.

Команда поймала и раскрутила облако из примерно 1 миллиона атомов натрия с помощью лазеров и электромагнитов. В предыдущих исследованиях физики продемонстрировали, что это раскручивает облако в длинную иглоподобную структуру, конденсат Бозе-Эйнштейна, где газ начинает вести себя как единое целое с общими свойствами.

"В классической жидкости, например, в сигаретном дыме, он бы просто продолжал становиться тоньше", - говорит Цвиерлейн. "Но в квантовом мире жидкость достигает предела, до которого она может стать тонкой".

В новом исследовании физик Бисварооп Мукерджи из Массачусетского технологического института и его коллеги перешагнули этот рубеж, получив серию изображений поглощения, которые показывают, что происходит после того, как атомы переходят от преимущественно классической к квантовой физике.

На изображении ниже показана плотность ультрахолодных атомов в течение микросекунд.

Облако атомов развилось из игольчатого конденсата (слева), прошло через змеевидную неустойчивость (в центре) и образовало миниатюрные торнадо (справа).

Между соседними кристаллами есть даже крошечные темные пятна (см. метки "x" ниже), где возникают вихри встречного потока - точно так же, как мы видим в сложных погодных системах (вспомните бушующие прилегающие штормы на Юпитере).

"Здесь мы имеем квантовую погоду: Жидкость в результате квантовых неустойчивостей фрагментируется в эту кристаллическую структуру из более мелких облаков и вихрей", - объясняет Цвиерлейн.

"Эта эволюция связана с идеей о том, как бабочка в Китае может вызвать шторм [в США], из-за нестабильности, которая вызывает турбулентность. Даже в классической физике это приводит к образованию интригующих узоров, например, облаков, закручивающихся вокруг Земли в красивые спиральные движения. А теперь мы можем изучать это в квантовом мире".

Команда контролировала систему таким образом, чтобы ничто другое не оказывало силы на атомные объекты. Это означало, что в игре участвуют только взаимодействия самих частиц и их вращение. В результате они проявили свойства сверхтвердого тела, в чем-то схожие с тем, что электроны создают в виде кристаллов Вигнера.

В то время как традиционные кристаллические твердые тела обычно состоят из атомов, расположенных в неподвижной, повторяющейся решетчатой структуре, эти структуры продолжают колебаться, но остаются в рамках определенного шаблона - как жидкость, притворяющаяся твердым телом, удерживаясь и протекая через фиксированную форму.

Команда, по сути, заставила атомы вести себя так, как будто они электроны в магнитном поле. Использование атомов таким образом облегчает манипулирование и наблюдение за квантовыми явлениями, что открывает путь к еще большим открытиям в этом удивительном мире.

"Мы можем визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотреть, подчиняются ли они той же квантово-механической физике", - говорит Цвиерляйн.

Это исследование было опубликовано в журнале Nature.