26 мая 2022

Учёные смогли поддерживать ток в кольцеобразных квантовых структурах целых 10 секунд

Малоизвестный (особенно в сравнении с его соавтором – Альбертом Эйнштейном) индийский физик Сатьендранат Бозе родился в Калькутте, но оказался в Европе, где активно и плодотворно занимался статистической механикой применительно к фотонам, то есть квантам световой энергии. Вместе с Эйнштейном они разработали в 1925 году статистику поведения частиц идеального газа, имевших целый спин. Часто используемый в последнее время термин «спин» интерпретируется обычно как «вращение» магнитного поля (момент) вокруг оси; подобно суточному «спину» Земли при ее движении вокруг Солнца.

Дальнейшее развитие теории привело двух ученых к предсказанию существования необычного агрегатного состояния вещества – так называемый Бозе-Эйнштейновский конденсат (ВЕС). Он образуется при сверхнизких температурах, которую физики получили только через три четверти века. Поэтому экспериментально он был получен только в 1995 году в Объединенном институте лабораторной астрофизики (JILA, США).

Имя индийца увековечили также в названии семейства элементарных частиц – бозоны, частицы с нулевым или целочисленным спином. Но спины бывают и дробными, в частности у электрона он равен 1/2, поэтому такие частицы назвали фермионами в честь итальянско-американского физика Энрико Ферми, который запустил 14 декабря 1942 года первый в мире атомный котел. Так начиналась атомная эра.

Физики сегодня делают бозонные и фермионные атомы, чему свидетельство статья в журнале Physical Review Letters сотрудников Дартмутского колледжа в американском г. Гановер. Название статьи – «Персистентные (устойчивые) токи в кольцах фермионных атомов при сверхохлаждении». Речь идет об атомах лития (Li-6) с двумя различными спиновыми состояниями, что и делает их фермионными. Первоначально их смесь образует атомное облако, но затем, с приближением температуры к абсолютному нулю (– 273º), атомы расходятся от центра и образуют кольцо. В нем возникает устойчивый ток – на протяжении как минимум 10 секунд – взаимодействующих друг с другом фермионов.

Ученые научились «настраивать» силу взаимодействий между атомами с помощью приложения внешнего магнитного поля. В результате им удалось получить «сверхжидкость» (superfluid), о которой также писали Бозе и Эйнштейн. Ее даже «помешивали» с помощью лазерного луча, взаимодействие же атомов ослабевало с увеличением напряженности магнитного поля.

Авторы признают, что нынешних 10 секунд поддержания кругового тока недостаточно для практического применения в активно разрабатываемых квантовых сенсорах. Тем не менее они доказали реальность получения атомных токопроводящих колец, что сравнимо с первыми успехами реализации идеи Бозе–Эйнштейна с их ВЕС.

Немаловажно и то, что их кольца могут активно использоваться в качестве экспериментальной базы для фундаментальных компьютерных симуляций и проверки теорий, описывающих динамику ранней Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Можно напомнить, что обращение Эйнштейна к космическим масштабам, в которых путь светового луча изгибается под действием гигантских астрономических масс, подтолкнуло к созданию общей теории относительности (ОТО). В рамках ОТО Эйнштейном был предсказано существование гравитационных волн, которые были обнаружены экспериментально спустя век с использованием лазерных интерферометров.