Физики нашли подход к «самому холодному объекту во Вселенной»

Исследователи из Австралии и Великобритании нашли способ пронаблюдать за состоянием конденсата Бозе-Эйнштейна, охлажденной до экстремально низкой температуры материей. Новый метод позволяет избежать нежелательного нагрева частиц, температура которых лишь на сто нанокельвинов выше абсолютного нуля. Подробности приведены в статье физиков в New Journal of Physics, а кратко о методике и ее применения рассказывается в сообщении Институт физики IoP. В сообщении физики назвали конденсат «самым холодным объектом во Вселенной».

Ученые использовали лазер, длина волны которого не позволяет фотонам поглощаться атомами конденсата. Это существенно уменьшило нагрев, но только этого метода было бы недостаточно. Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) был расположен внутри дополнительной катушки индуктивности, магнитное поле которой позволяло перемещать его внутри лазерного луча и реализовать так называемую динамическую стабилизацию изучаемого объекта.

Суть динамической стабилизации заключается в том, что при помощи электромагнитных импульсов периодически меняется ориентация спинов частиц КБЭ. В одной из прошлых работ это сравнили со стабилизацией перевернутого вверх ногами маятника. Такой маятник неустойчив, но за счет сдвигов точки подвеса его можно удерживать в вертикальном положении достаточно долго. В случае с КБЭ в роли маятника выступает спин атомов, а в роли колеблющегося подвеса электромагнитное поле.

Использование лазерного луча со специально подобранной длинной волны и электромагнитной динамической стабилизации было реализовано на практике ранее. Новизна исследования заключается в том, что ученые смогли оптимизировать алгоритм управления электромагнитным полем и за счет этого повысили точность обратной связи. Когда атомы начинают нагреваться, то есть совершать колебания, внешнее поле гасит эти колебания и тем самым предотвращает нагрев КБЭ.

КБЭ является особым состоянием материи, состоящей из бозонов, частиц с целым спином (то есть спином, равным целому числу). Из законов термодинамики и квантовой механики следует то, что такие частицы при очень низкой температуре будут переходить в одно и то же квантовое состояние, что принципиально невозможно для фермионов, частиц с полуцелым спином (электрон, например, его спин равен 1/2). Одним из следствий такого поведения является согласованное движение сгустка КБЭ (все частицы движутся с одинаковой скоростью). Это может, как пишут авторы новой методики, пригодится при создании принципиально новых устройств, включая детекторы гравитационного поля.