Поиск квантового движения в газах

Изображение облака атомов газа в "ловушке". Изображение облака атомов газа в "ловушке".

Квантовый мир не останавливается даже при абсолютном нуле температур, благодаря так называемым нулевым колебаниям. Однако этот квантовый эффект чрезвычайно сложно увидеть напрямую. Группа ученых из США в своей последней работе проанализировала фотографии газового облака, температура которого всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, чтобы выявить звуковые волны, являющиеся следствием нулевых колебаний, отделив их от классических тепловых флуктуаций. Хотя результат эксперимента во многом был ожидаем, ученым удалось на практике выявить своего рода «подпись» квантовых и тепловых колебаний.

Согласно законам квантовой механики, осциллятор (маятник или электронная система) не может иметь энергию, равную нулю. Он всегда сохраняет некоторые «нулевые» колебания даже при абсолютном нуле температуры.

Одновременно электромагнитное поле в пространстве не равно нулю и постоянно колеблется. Усредненный эффект этих колебаний приводит к таким явлениям, как спонтанное излучение света атомами и сила Казимира между почти соприкасающимися объектами. Хотя эти эффекты хорошо изучены в теории, до сих пор для полноты этой картины научному миру не хватало только прямого наблюдения самих флуктуаций.

Необходимый шаг в этом направлении сделала группа ученых из Institute of Optics (США). Научная группа исследовала квантовые флуктуации, являющиеся следствием волн плотности в атомарном газе. Изначально они захватывали около тысячи атомов газа в специальной продолговатой тонкой «ловушке», а затем с помощью радиоволн охлаждали атомы до температуры, близкой к абсолютному нулю. После этого ученые фиксировали свет, отражающийся от «ловушки» с газовым облаком.

Повторяя эту процедуру сотни раз, исследователи отметили присутствие флуктуаций плотности (или фононов) вокруг центральной области «ловушки».

Прямое измерение нулевых возбуждений этих волн крайне сложно, поскольку технически газ не может быть охлажден до абсолютного нуля. Волны со столь большой длиной волны и столь малой энергией никогда не «замирают» в своем нулевом состоянии, так что некоторые классические тепловые флуктуации остаются в газе и для чистоты эксперимента их необходимо тщательно отделять от квантового движения. Ученые считают, что

даже после охлаждения до 4 нанокельвинов квантовые флуктуации вносят всего 20% вклада в изменяющуюся картину. Но, поскольку ошибка эксперимента меньше этой величины, сравнение измерений с теорией показало, что данный вклад при сформированных внешних условиях уже необходимо учесть.

Для учета этого вклада ученые рассмотрели колебания атомов газа в более длинной «ловушке», объединяя данные по соседним пикселям полученной картинки для поиска любых изменений в наблюдаемой картине. Теория, которая рассматривает только классические фононы, прогнозирует явное увеличение колебаний при увеличении длины «ловушки». Но квантовый вклад должен быть таким, что общее число колебаний не изменится. Таким образом,

даже если предположения о соотношении квантовых и классических колебаний, высказанное исследовательской группой, было не верным, они ожидали, что картина, полученная при увеличении длины ловушки, должна четко указать, что квантовые флуктуации действительно были представлены.

Как и ожидалось, проведенные измерения показали незначительное увеличение количества колебаний, что подтверждает, что квантовые флуктуации вносят свой вклад в рассматриваемую систему.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (6 votes)
Источник(и):

1. physics.aps.org

2. sci-lib.com