Специалисты Объединенного квантового института (США) с помощью лазеров сумели заставить ультрахолодные атомы рубидия вести себя подобно заряженным частицам, помещенным в магнитное поле.

Нейтральные частицы с целым спином — бозоны — часто используются при моделировании явлений квантово-механической природы (к примеру, сверхпроводимости); в таких экспериментах системы нейтральных атомов охлаждаются до образования конденсата Бозе — Эйнштейна (БЭК). Взаимодействующие друг с другом атомы успешно имитируют электроны в твердом теле.

«Вихри» в БЭК при разных значениях градиента внешнего магнитного поля (иллюстрация JQI)

Поскольку атомы БЭК нейтральны, моделировать таким способом эффекты воздействия магнитного поля на заряженные частицы очень тяжело. Физики пытались использовать тот факт, что сила Кориолиса по своему проявлению аналогична силе Лоренца, и вращали БЭК, наблюдая образование «вихрей», напоминающих те, что появляются в некоторых сверхпроводниках во внешнем магнитном поле. Эти эксперименты отличаются чрезвычайной сложностью, причем для наблюдения наиболее интересных явлений (дробного квантового эффекта Холла) требуется имитировать сильное магнитное поле — задавать высокую скорость вращения.

Авторы задались целью разработать более простую экспериментальную методику. Используя стандартные технологии охлаждения, они подготовили БЭК на основе 250 тысяч атомов рубидия ⁸⁷Rb, содержавшихся при температуре около 100 нК в оптической ловушке. Затем ученые включили градиентное магнитное поле и направили на атомы два луча лазера, ориентированные под прямым углом друг к другу. Длины волн излучения составляли около 802 нм, но все же несколько отличались друг от друга. Одновременное воздействие градиента поля и лазерного излучения привело к тому, что характеристики атомов (проекция их импульса на одну из осей) стали изменяться, причем изменение зависело от положения частиц в ловушке. В результате в определенных областях ловушки атомы начали перемещаться точно так же, как заряженные частицы в однородном магнитном поле.

Успех эксперимента был подтвержден результатами регистрации «вихрей» в БЭК. Для удобства наблюдения ученые освободили атомы, выключив ловушку, и через 25 мс получили «увеличенное» изображение вихрей — черных точек на светлом фоне атомарного газа — в расширившемся БЭК.

Схема эксперимента. Красными стрелками обозначены лучи лазеров, зеленым — БЭК, фиолетовым — внешнее поле, синим — имитируемое магнитное поле (иллюстрация JQI)

Авторы планируют совершенствовать свою методику, постепенно имитируя все более сильные магнитные поля.

Дмитрий Сафин