Співробітник французького Інституту оптики Жюльєн Армийо (Julien Armijo) виконав прямі спостереження квантових флуктуацій в атомарному газі

Як відомо, квантові («нульові») флуктуації зберігаються навіть при температурі T = 0, де класична термодинаміка передбачає відсутність яких би то ні було збуджень. Необхідність збереження квантової системою деякої кінцевої енергії в основному стані — прямий наслідок принципу невизначеності Гейзенберга, і довести це зовсім не важко. Дійсно, відсутність енергії означало б, що в об’єкта точно задані і імпульс (нульовий), і координата (відповідна точці мінімуму потенційної енергії), а така комбінація не задовольняє співвідношенню невизначеностей.

У звичних для людини діапазонах розмірів і температур нульові флуктуації себе не проявляють. Однак без обліку цього феномена неможливо описати багато «тонкі» фізичні ефекти на зразок випромінювання Хокінга (випускання елементарних частинок чорними дірками), лэмбовского зрушення (зсуву рівнів енергії зв’язаних станів електрона у зовнішньому полі) або неодноразово згадуваних нами сил Казимира — Полдера. Реєструючи такі ефекти, вчені побічно підтвердили істинність теорії квантових флуктуацій.

Охолоджене хмару атомів рубідію на знімку з 5-микрометровыми пікселями (ілюстрація J. Armijo / Inst. of Optics).

Р-н Армийо пішов по іншому шляху і розробив оригінальну методику прямого виявлення флуктуацій при спостереженні за охолодженими атоми рубідію 87Rb, захопленими в микромагнитные пастки. Давно встановлено, що нульові флуктуації відіграють особливо важливу роль у низьковимірних системах (наприклад, в одновимірному випадку вони можуть зруйнувати дальній порядок і перешкоджати бозе-ейнштейнівської конденсації навіть при T = 0), а тому в експериментах створювався одновимірний атомарний газ.

Охолодивши атоми, автор визначав, наскільки добре різні ділянки одновимірного хмари газу поглинають випромінювання. Ця операція повторювалася кілька сотень разів, після чого пан Армийо вираховував флуктуації щільності хмари відносно його середньої щільності. Такі флуктуації відображали присутність хвиль щільності (фононів).

Оскільки температура в дослідах знижувалася «всього лише» до 4,7 пк, необхідно було придумати, як відрізняти звичайні теплові фонони від квантових. Рішення завдання виявилося досить простим: вчені скористався тим, що амплітуди квантових і теплових флуктуацій по-різному залежать від характерного масштабу довжин, на якому досліджується система. Збільшуючи цей масштаб — об’єднуючи дані по сусідніх пікселів на знімках газової хмари — і оцінюючи флуктуації щільності в нових умовах, він довів, що результати досвіду не можна уявити в суто класичному вигляді.

Звіт про дослідження опублікований в журналі Physical Review Letters; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами Американського фізичного товариства.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *