Физики впервые увидели, как распутываются квантовые вихри в ультрахолодном газе
Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, атомы сливаются в конденсат Бозе — Эйнштейна: экзотическую жидкость, в которой все атомы разделяют единое квантовое состояние. Теория предсказывала, что при переходе из беспорядка в упорядоченное состояние в газе должен возникать клубок крошечных вихрей, который постепенно распутывается. Команда под руководством Себастьяна Морриса из Кембриджского университета впервые поймала этот процесс в действии. Об этом сообщает издание Phys.org.
Эксперимент, описанный в Physical Review Letters, подтвердил теорию «вихревой турбулентности Винена». В конденсате вращение не может циркулировать свободно, как вода: оно сосредоточено в тонких нитевидных вихрях с квантованной циркуляцией. Ранее физики видели лишь косвенные намёки на этот эффект в сверхтекучем гелии, а в атомных газах вихри наблюдали в основном в плоских двумерных системах.
Моррис и его коллеги создали конденсат из атомов калия в цилиндрической световой ловушке размером менее десятой доли миллиметра. Они возмутили газ, чтобы нарушить его упорядоченное состояние, затем включили взаимодействие между атомами и дали системе расслабиться. В разные моменты они выпускали газ, увеличивали его примерно в 3,5 раза и фотографировали тонкий срез облака — вихри выглядели как тёмные полосы.
Повторяя процесс многократно, учёные оценили общую длину вихревых нитей в единице объёма и проверили теоретический закон её уменьшения. Плотность вихрей падала точно по предсказанию: густые клубки распадались быстрее, а затем распад замедлялся, когда оставшиеся вихри терялись у стенок ловушки.
Удивительно, что скорость распада не зависела от силы взаимодействия атомов, а с учётом разницы масс частиц совпала с измерениями в сверхтекучем гелии. Вихри становились отчётливо видны примерно в тот момент, когда атомы начинали проявлять растущую квантовую когерентность. Результаты напрямую подтверждают теоретические предсказания о том, как конденсаты возникают из беспорядка.
