Світ, в якому ми живемо, підпорядковується класичній фізиці. Те, як ми рухаємося, де ми знаходимося і як швидко ми йдемо, визначається класичним припущенням, що ми можемо існувати тільки в одному місці в будь-який момент часу.
Але в квантовому світі поведінка окремих атомів регулюється принципом, згідно з яким місце розташування частинки є ймовірністю. Наприклад, у атома є певний шанс опинитися в одному місці і інший шанс опинитися в іншому місці в один і той же час.
Коли частинки взаємодіють виключно внаслідок цих квантових ефектів, має відбуватися безліч дивних явищ. Але спостерігати таку суто квантово-механічну поведінку взаємодіючих частинок серед всепоглинаючого шуму класичного світу - завдання непросте.
Тепер фізики Массачусетського технологічного інституту безпосередньо спостерігали взаємодію частинок у конкретному стані матерії: обертової рідини ультрахолодних атомів. Дослідники передбачили, що в рідині, що обертається, переважатимуть взаємодії, які змусять частинки демонструвати екзотичну, небачену раніше поведінку.
У дослідженні, опублікованому 5 січня 2022 року в журналі Nature, команда Массачусетського технологічного інституту швидко повертала квантову рідину з ультрахолодних атомів. Вони спостерігали, як спочатку кругла хмара атомів спочатку деформувалася в тонку голкову структуру. Потім, коли класичні ефекти пішли, залишивши тільки взаємодію частинок і квантові закони, щоб керувати поведінкою атомів, голка спонтанно перетворилася на кристалічний візерунок, що нагадує вервечку мініатюрних квантових торнадо.
«Ця кристалізація обумовлена чистою взаємодією і говорить нам, що ми переходимо від класичного світу до квантового світу», - говорить Річард Флетчер, доцент фізики в Массачусетському технологічному інституті.
Результати є першою прямою документацією еволюції квантового газу на місці. Мартін Цвірляйн, професор фізики Массачусетського технологічного інституту імені Томаса А. Франка, каже, що еволюція обертових атомів в цілому аналогічна тому, як обертання Землі викликає великомасштабні погодні явища.
«Ефект Коріоліса, який пояснює ефект обертання Землі, подібний до сили Лоренца, яка пояснює, як заряджені частинки поводяться в магнітному полі», - зазначає Мартін Цвірляйн. "Навіть у класичній фізиці це призводить до формування інтригуючого візерунку, подібно до хмар, що обволокують Землю красивими спіральними рухами. І тепер ми можемо вивчити це в квантовому світі ".
Квантові рідини, що обертаються
У 1980-х роках фізики почали спостерігати нове сімейство речовин, відомих як квантові рідини Холла, які складаються з хмар електронів, що плавають у магнітних полях. Замість того, щоб відштовхувати один одного і утворювати кристал, як пророкує класична фізика, частинки підлаштовують свою поведінку під поведінку своїх сусідів квантовим чином.
«Фізики виявили всілякі дивовижні властивості, і причина була в тому, що в магнітному полі електрони (класично) застигли на місці - вся їх кінетична енергія відключена, і залишилися тільки взаємодії», - говорить Річард Флетчер. "Отже, весь цей світ виник. Але його було надзвичайно важко спостерігати і розуміти ".
Зокрема, електрони в магнітному полі рухаються дуже малими рухами, які важко побачити. Вчені прийшли до висновку, що, оскільки рух атомів при обертанні відбувається на набагато більших масштабах довжини, вони могли б використовувати ультрахолодні атоми в якості замінників електронів і спостерігати ідентичну фізику.
"Ми подумали, давайте змусимо ці холодні атоми поводитися так, як якщо б вони були електронами в магнітному полі, але це ми могли б точно контролювати. Тоді ми можемо візуалізувати, що роблять окремі атоми, і подивитися, чи підпорядковуються вони одній і тій же квантово-механічній фізиці ".
Квантова погода
У своєму новому дослідженні фізики використовували лазери для захоплення хмари з приблизно 1 мільйона атомів натрію і охолодили атоми до температури близько 100 нанокельвінів. Потім вони використовували систему електромагнітів для створення пастки, що утримує атоми, і колективно обертали атоми навколо, як кульки в чаші, зі швидкістю близько 100 обертів на секунду.
Команда сфотографувала хмару за допомогою камери, зафіксувавши перспективу, схожу на точку зору дитини, коли вона дивиться в центр каруселі на ігровому майданчику. Приблизно через 100 мілісекунд дослідники помітили, що атоми перетворилися на довгу голкову структуру, яка досягла критичної квантової товщини.
«У класичній рідині вона просто продовжувала б ставати тонше», - каже Мартін Цвірляйн. «Але в квантовому світі рідина досягає межі того, наскільки тонкою вона може стати».
«Коли ми побачили, що вона досягла цієї межі, у нас були вагомі підстави думати, що ми стукаємо в двері цікавої квантової фізики», - додає Річард Флетчер. «Тоді питання було в тому, що буде робити ця голкова рідина під впливом чисто обертання і взаємодій?»
Вчені зробили важливий крок вперед у своєму експерименті, щоб побачити, як буде розвиватися голкова рідина. У міру того як рідина продовжувала обертатися, вони спостерігали, як починає проявлятися квантова нестабільність: стрілка почала коливатися, потім згорнути штопором і, нарешті, перетворилася на ланцюжок обертових згустків або мініатюрних торнадо - квантовий кристал, що виникає виключно в результаті взаємодії обертання газу і сили взаємодії між атомами.
«Ця еволюція пов'язана з ідеєю про те, як метелик в Китаї може викликати тут шторм через нестабільність, що викликає турбулентність», - пояснюють вчені. "Тут у нас квантова погода: рідина через свою квантову нестабільність розпадається на кристалічну структуру з менших хмар і вихорів. І це прорив - можливість побачити ці квантові ефекти безпосередньо ".
Дослідження було опубліковано в журналі Nature.