Встряхните конденсат, чтобы получить несколько состояний
 Модель вращающегося Бозе-Эйнштейн-конденсата. Цветом показаны так называемые "фазовые сингулярности". Новая работа объясняет, как будет вести себя конденсат под действием внешней периодической силы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Согласно положениям квантовой механики, элементарные частицы относятся либо к фермионам, либо к бозонам, которые взаимодействуют друг с другом по-разному. Сродство между бозонами приводит их при низких температурах к образованию конденсата, в котором большая часть частиц совместно занимает состояние с наименьшей энергией. Такое поведение способствует проявлению удивительных свойств сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей, а в чистом виде присутствует в ультрахолодных атомных газах.
В последние годы исследователи занимаются изучением подобных систем, а также их взаимодействиями в различных сложных условиях. В частности, совместная группа ученых из Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems и Technical University of Dresden (Германия) поставила своей целью исследование реакции конденсата на периодическую временную силу (с большим периодом по времени), которая выводит конденсат из равновесного состояния, постоянно его «встряхивая». Оказывается, что энергия, передаваемая таким образом системе, меняет характер квантовых состояний. Им больше не могут присваиваться определенные значения энергии (или «уровни»), поскольку понятие состояния, где все частицы могут собираться, теряет смысл. Дискретные квантовые состояния все еще существуют, но они не являются энергетическими состояниями.
Без энергетических состояний обычная математика, применяемая к конденсации, уже не работает. Поэтому для описания системы ученые использовали набор уравнений, которые определяют для каждой пары состояний, как часто частицы «перескакивают» между ними. Для бозонов частота, с которой частицы попадают в это состояние, увеличивается, когда некоторые частицы уже находятся в этом состоянии (это свойство для фотонов эксплуатируется в лазерах). Используя эту информацию, ученые провели численное моделирование процесса перехода частиц между состояниями, чтобы увидеть, в каком именно состоянии они будут накапливаться.
Когда система находится в состоянии равновесия, большая доля частиц естественным образом занимает единое состояние. Но в системе, находящейся под внешним воздействием, исследователи обнаружили, что частицы циркулируют между несколькими состояниями (с образованием конденсата в каждом из них). Моделирование поведения 100 частиц показало, что внешняя сила генерирует около 50 самостоятельных конденсатов, причем, отдельные частицы постоянно перескакивают из одного в другой. При добавлении новых частиц в систему они также начинали присоединяться к этим конденсатам (поскольку бозоны, как правило, накапливаются).
Из своего моделирования исследователи сделали вывод, что число «избранных» состояний всегда нечетно. Чтобы объяснить это наблюдение, команда использовала упрощенную теорию, в которой изменяющееся во времени число частиц в состоянии заменяется средним значением. В рамках этой теории ученые показали математически: если число состояний четно, некоторые из них быстро теряют частицы, пока общее число состояний не станет нечетным.
Как говорят ученые, проверить их идеи можно с помощью эксперимента с конденсатом экситонных поляритонов – частиц с небольшим временем жизни, представляющих собой пару связанных между собой электрона и дырки проводимости, сгенерированную лазером в микромасштабной полупроводниковой полости. Вместо встряхивания системы внешняя сила может, к примеру, непрерывно создавать новые частицы при помощи того же лазера (команда уверена, что в этом случае будут соблюдаться те же принципы).
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Как говорят коллеги ученых, фактически, работа объединяет конденсации Бозе-Эйнштейна и стохастические «конденсации» в классических системах. Хотя о каком-то практическом значении наблюдения говорить пока рано.
Также по теме:
- Перемещение наночастиц отличается сверхнизким трением
- Форма частиц значительно влияет на их диффузию
- Ученые предлагают новый метод создания массива атомов для квантовых вычислений
- Ученые научились добавлять в графен дырки проводимости
- Ученые визуализировали «танцы» кластеров из атомов кремния в графене
Источники: