Физики увидели стимулированное светорассеяние в газе бозонов. Это случилось через год после того, как они же подтвердили его подавление в газе фермионов

Американские физики экспериментально подтвердили эффект бозонного стимулированного светорассеяния, предсказанный более 30 лет назад. Для этого они считали количество рассеянных фотонов газом атомов-бозонов, находящимся в оптической ловушке вблизи температуры образования бозе-конденсата. Работу провела та же группа ученых, что год назад обнаружила противоположный эффект — блокировку рассеяния в газе фермионов.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

В классической физике и описываемом ею повседневном опыте перестановка местами двух абсолютно одинаковых объектов не имеет последствий. В квантовой механике это немного не так. Элементарные частицы и атомы действительно могут быть тождественными, и при их перестановке местами волновая функция системы может поменять знак. И хотя это никак не сказывается на полной энергии системы, а также всех физических величинах, характеризующих ее состояние, такое изменение сказывается на ее статистических свойствах. Сейчас мы знаем, что частицы, перестановка которых меняет знак, называются фермионами, а которых не меняет — бозонами.

Важнейшим следствием перестановочных свойств фермионов стал принцип запрета Паули, который запрещает двум фермионам находиться в одинаковых состояниях. Из-за этого нуклоны в ядрах и электроны в атомах вынуждены последовательно заполнять свободные орбиты, формируя материю в том виде, в котором мы ее знаем.

Разница в статистиках начинает проявлять себя на макроскопических масштабах по мере охлаждения газа из тождественных частиц. Потеря тепла сопровождается стремлением частиц занимать наименьшие уровни, соответствующие движению с некоторым импульсом. Все бозоны способны уместиться на одном уровне. Более того, они тем охотнее это делают, чем больше частиц уже на нем находятся. При этом физики говорят об индуцированном (стимулированном, вынужденном) выпадении частиц в конденсат Бозе — Эйнштейна. Этот процесс аналогичен вынужденному излучению фотонов (тоже бозонов) во время работы лазера.

Фермионы же, напротив, испытывают эффективное отталкивание в пространстве состояний (импульсов). В результате конкуренции этого отталкивания и охлаждения они упаковываются в импульсную сферу Ферми с образованием вырожденного ферми-газа. Такая конфигурация подавляет отдачу, которую могли бы приобрести фермионы в результате каких-либо столкновений, поскольку конечное состояние этого процесса с большой вероятностью оказывается занято. Этот эффект для рассеяния света был предсказан около 30 лет назад и подтвержден экспериментально лишь недавно сразу тремя группами.

Для бозонов светорассеяние также изменится. Согласно эффекту бозонного стимулирования, они, напротив, должны охотнее рассеивать свет таким образом, чтобы перейти к общему основному состоянию. Это явление было предсказано примерно в то же время, что и паулевская блокировка светорассеяния, однако, соответствующее увеличение интенсивности излучения до недавнего времени никто не наблюдал.

Это удалось сделать небольшой группе физиков из Массачусетского технологического института при участии Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) — пионера в области квантовых газов, чья команда была одной из трех групп, увидевших блокировку Паули.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

N+1