Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) заставили образоваться «квантовые торнадо», «раскрутив» квантовую жидкость из ультрахолодных атомов.
Изначально круглое облако атомов сначала деформировалось в тонкую игольчатую структуру. Затем, в тот момент, когда классические эффекты перестали действовать и включились квантовые, эта «игла» спонтанно превратилась в кристаллический узор, напоминающий вереницу миниатюрных квантовых смерчей.
Численное моделирование временной неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Фото: Википедия
Это первая прямо задокументированная эволюция быстровращающегося квантового газа. Эффект аналогичен образованию волнистых облаков или облаков Кельвина-Гельмгольца, когда теплый, менее концентрированный слой воздуха расположен над слоем прохладного, плотного воздуха. При этом верхний слой движется быстрее нижнего.
«Это квантовая погода: жидкость из-за своей квантовой нестабильности распадается на кристаллическую структуру из меньших облаков и вихрей. И это прорыв — возможность увидеть эти квантовые эффекты напрямую», — заявил Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка.
Исследователей из MIT заинтересовали так называемые квантовые холловские жидкости. Они впервые обнаружены в 1980-х годах и состоят из облаков электронов, плавающих в магнитных полях. В классической системе электроны отталкивались бы друг от друга и образовывали кристалл. Но в квантовых жидкостях Холла электроны имитируют поведение своих соседей.
Физики решили, что раз электроны в магнитном поле движутся малозаметно, то можно ускорить движение атомов вращением. Они использовать ультрахолодные атомы в качестве заменителей электронов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
«Мы решили заставить эти холодные атомы вести себя так, как если бы они были электронами в магнитном поле, но при условии, что мы сможем их контролировать. Тогда получится визуализировать, что делают отдельные атомы, и посмотреть, подчиняются ли они одной и той же квантово-механической физике», — сказал Цвирляйн.
Ученые использовали лазеры для захвата облака из примерно 1 миллиона атомов натрия и охладили его до температуры около 100 нанокельвинов. Затем, с помощью системы электромагнитов, они создали ловушку, удерживающую атомы, а затем вращали их со скоростью около 100 оборотов в секунду. По мере того как жидкость продолжала вращаться, физики наблюдали, как начинает проявляться квантовая нестабильность: «игла» начала колебаться, затем свернуть штопором и, наконец, превратилась в цепочку вращающихся сгустков — квантовый кристалл, возникающий исключительно в результате взаимодействия вращения газа и силы между атомами.
«Эффект Кориолиса
При вращении диска более далекие от центра точки движутся с большей касательной скоростью, чем менее далекие , который объясняет эффект вращения Земли, аналогичен силе ЛоренцаСила, с которой электромагнитное поле, согласно классической (неквантовой) электродинамике, действует на точечную заряженную частицу., которая объясняет, как заряженные частицы ведут себя в магнитном поле. Даже в классической физике это приводит к формированию интригующего узора, подобно обволакивающим Землю красивыми волнимстым облакам. И теперь мы можем изучить это в квантовом мире», — отметил Цвирляйн.
Ученые впервые подтвердили существование экзотического магнитного состояния материи — квантовой спиновой жидкости
