Японские физики смогли получить конденсат Бозе — Эйнштейна, состоящий из атомов европия. Благодаря большому магнитному моменту этих атомов, конденсат оказался податливым для манипуляций магнитным полем. Авторы также отыскали несколько резонансов Фешбаха и показали, что с их помощью можно менять взаимодействия в конденсате.
Физики уже почти тридцать лет умеют создавать конденсаты Бозе — Эйнштейна. Контроль поведения частиц, в особенности, их взаимодействия друг с другом, позволяет применять конденсаты в широком спектре квантовых симуляций, начиная от сверхпроводимости и заканчивая искривлением пространства-времени.
На первых порах ученые работали со щелочными атомами — их проще всего захватывать светом и охлаждать. Их взаимодействие друг с другом определяется в основном короткодействующими и изотропными силами Ван-дер-Ваальса. Вместо этого популярность набирают дипольные бозе-конденсаты на основе лантаноидов, в которых взаимодействие более дальнодействующее и анизотропное. Так, к примеру, связаны два магнитика, притяжение или отталкивание между которыми зависит от ориентации их полюсов.
Юки Миядзава (Yuki Miyazawa) вместе с коллегами из Токийского технологического института провели эксперимент, где роли таких элементарных магнитиков играли атомы европия. Эти атомы обладают высокосимметричным основным электронным состоянием. Их внешняя и полностью заполненная оболочка 6s экранирует наполовину заполненную оболочку 7f, из-за чего взаимодействие между атомами гораздо слабее зависит от спинов, нежели от их магнитных моментов, которые достигают семи магнетонов Бора. Другим полезным свойством европия стала богатая сверхтонкая структура, которая содержит шесть подуровней в основном состоянии.
В опыте физиков конденсат образовался в скрещенной оптической дипольной ловушке, однако ему предшествовала долгая подготовка атомов как на выходе из европиевой печи, так и в промежуточной магнитооптической ловушке. Она включала в себя пленение, охлаждение и спин-поляризацию частиц. На последнем этапе ученые испарительно охлаждали атомы, то есть снижали интенсивность лазеров, формирующих оптическую ловушку, чтобы добиться целевой нанокельвиновой температуры. По фотографиям абсорбции атомного облака, снятых для разных температур, авторы сделали вывод, что критическая температура конденсации европия равна 367±4 нанокельвина. Дальнейшее охлаждение позволило сконденсировать все атомы, число которых к этому моменту уменьшилось до 50 тысяч.
Изображения абсорбции атомного облака (слева) и интегральный профиль плотности (справа) по мере уменьшения температуры (сверху вниз). Сплошные линии — подгонка с помощью теории, описывающей частичную конденсацию. Штриховая линия отдельно описывает вклад от несконденсированных атомов.
Физики убедились, что конденсат атомов европия демонстрирует магнитострикцию, то есть вытягивание при приложении магнитного поля. Также они провели с атомами Фешбах-спектроскопию, то есть выяснили, при каком значении магнитного поля между частицами возникают резонансы Фешбаха. Такое усиление возникает при малых полях и приводит к рассеиванию конденсата. Всего ученые отыскали один широкий (на 1,32 гаусса) и два узких (на 2,6 и 3,56 гаусса) резонанса.
На последнем этапе эксперимента авторы следили за тем, как разлетается конденсат при выключении ловушечного лазерного поля, если магнитное поле близко к одному из резонансов. На пике конденсат не только вытягивается, но и расщепляется на две части. По мнению физиков, полное понимание этого феномена потребует дополнительных исследований.