Австрийские физики впервые экспериментально получили конденсаты квантовых газов, одновременно состоящих из двух разных типов атомов. Для этого ученые помещали смеси изотопов эрбия и диспрозия в оптическую ловушку и охлаждали ее с помощью лазера. В результате исследователям удалось изготовить четыре бозон-бозонные смеси и одну бозон-фермионную.

Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Как правило, для получения бозе-конденсата из ультрахолодного атомного газа физики используют оптические ловушки. В такой ловушке бозоны зажимаются с помощью двух лазерных лучей, которые распространяются в противоположные стороны и создают стоячую электромагнитную волну.

Бозоны — это частицы с целым спином, которые могут находиться в одном квантовом состоянии.

Грубо говоря, атомы собираются в «ямках» этой волны — как только атом отклоняется от положения равновесия, он выходит из резонанса, рассеивает фотон и «отскакивает» обратно. Затем ученые заставляют атомные газы «испаряться»: создают градиент магнитного поля, при котором самые быстрые (то есть самые «горячие») атомы покидают ловушку, а самые медленные («холодные») — остаются. В результате температура конденсата падает — вплоть до нескольких десятков нанокельвинов, — а «чистота» квантового состояния растет. На практике этот метод впервые применили в 1995 году Эрик Корнелл (Eric Cornell) и Карл Вимен (Carl Wieman), которые получили несколько лет спустя Нобелевскую премию по физике.

В настоящее время ученые хорошо умеют получать с помощью оптических ловушек бозе-конденсаты из частиц с нулевым спином. Тем не менее, эту технику можно распространить и на другие квантовые газы, которые состоят из частиц с большими спинами и потому гораздо сильнее взаимодействуют между собой. Впервые такие газы экспериментально изготовили всего несколько лет назад из атомов эрбия (Er) и диспрозия (Dy). Оказалось, что из-за сильного диполь-дипольного взаимодействия такие газы имеют ряд особенностей, которые отличают их от «обычных» квантовых газов — например, в них деформируется поверхность Ферми, появляются квазичастицы ротоны становятся стабильными квантовые состояния капель. Еще интереснее было бы получить «смесь» из атомов разного типа, поскольку она обладает сильной анизотропией, позволяет исследовать основное состояние полярных молекул и дальние взаимодействия. К сожалению, до последнего времени физики могли исследовать такие смеси только теоретически.

Группа ученых под руководством Франчески Ферлаино (Francesca Ferlaino) впервые получила на практике смешанный конденсат из атомов эрибия и диспрозия. Точнее, ученые изготовили целых пять различных смесей, которые отличались изотопным составом компонент: смесь ¹⁶²Dy-¹⁶⁸Er, ¹⁶⁴Dy-¹⁶⁸Er, ¹⁶²Dy-¹⁷⁰Er, ¹⁶⁴Dy-¹⁷⁰Er и ¹⁶¹Dy-¹⁶⁸Er. В первых четырех случаях оба типа частиц являлись бозонами, тогда как в последнем случае исследователи работали со смесью бозонов и фермионов. Принципы получения каждой из смесей мало отличались, поскольку магнитные и оптические свойства изотопов очень похожи.

В основе метода, разработанного учеными, лежала стандартная схема получения бозе-конденсата — физики охлаждали атомы с помощью лазера, ловили их в оптическую ловушку и испаряли. Главная особенность атомов эрбия и диспрозия, которая позволила ученым использовать этот метод — очень близкие значения поляризуемости α: на длине волны около 1064 нанометров отношение αDy/αEr ≈ 1,06. Поэтому оптические ловушки, которые удерживают каждый тип атомов по отдельности, имеют очень близкую частоту, и оба типа атомов можно захватить с помощью одного лазера. Тем не менее, глубины ловушек (то есть величины связывающих потенциалов) отличаются немного сильнее, и это заметно сказывается на охлаждении. В самом деле, атомы эрбия, которые связаны слабее, испаряются легче, чем атомы диспрозия, и потому к концу процесса их число уменьшается гораздо заметнее. Более того, атомы эрбия «отбирают» лишнюю энергию у атомов диспрозия и еще сильнее охлаждают их. Чтобы скомпенсировать это отличие, физики добавляли в исходную смесь примерно в десять раз больше атомов эрбия, чем атомов диспрозия. После испарения в ловушке оставалось около десяти тысяч атомов каждого типа, хотя их число сильно менялось от опыта к опыту.

Охлаждение смеси в результате испарения: отношение конечной и начальной фазовой плотности в зависимости от отношения числа частиц. (b) Число частиц в конечном конденсате в зависимости от напряженности «испаряющего» поля. На обеих картинках эрбий отмечен красным, диспрозий — синим / A. Trautmann et al. / Physical Review Letters, 2018

Чтобы узнать, как выглядит смесь конденсатов, ученые просветили облако еще одним лучом лазера и измерили его плотность и температуру. Оказалось, что в действительности «смесь» состоит из двух отдельных облачков эрбия и диспрозия, которые отталкиваются друг от друга, причем центр масс каждого облачка немного смещен относительно его температурного центра. По словам ученых, смещение указывает на диполь-дипольное взаимодействие между атомами разного типа. Чтобы подтвердить это утверждение, исследователи «разгоняли» одно из облачков с помощью резонансного лазерного импульса и измеряли колебания центра масс оставшегося облачка. Как и ожидалось, колебания облаков эрбия и диспрозия были синхронизированы и находились в противофазе. Это подтверждает, что облачка взаимодействуют между собой.

Изображения смесей с различным изотопным составом, полученное с помощью измерения прозрачности облака / A. Trautmann et al. / Physical Review Letters, 2018

Положение центра масс (черный крест) и теплового центра для облаков эрбия и диспрозия в смеси (a) и по отдельности (b,c), а также сравнение колебаний координаты центра масс каждого из облаков (d,e) / A. Trautmann et al. / Physical Review Letters, 2018

Автор: Дмитрий Трунин