Физики впервые «засняли» распад квантовых узлов

Физики из США и Финляндии впервые проследили за распадом квантовых узлов, «завязанных» в бозе-конденсате атомов рубидия-87. В результате физики выделили две фазы распада и увидели, что в ходе эволюции через промежуточную ферромагнитную фазу узел превращается в вихрь. По словам ученых, их работа поможет выделить общие закономерности в эволюции топологических дефектов. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в открытом доступе, кратко о ней сообщает Physics.

Многие физические теории допускают существование топологических дефектов — решений классических уравнений движения с нетривиальной топологией. В принципе, такие решения могут появиться практически в любой области современной физики, начиная от космологии и заканчивая физикой конденсированного состояния. В частности, к топологическим дефектам относятся квантовые узлы, монополи, доменные стенки, космические струны, вихри и скирмионы.

В отличие от других возмущений над вакуумом, топологические дефекты устойчивы относительно малых возмущений — грубо говоря, от разрушения их защищает нетривиальная топологическая структура, которая должна сохраняться в ходе эволюции дефекта. Тем не менее, физикам известны механизмы, с помощью которых топологический дефект можно разрушить — например, можно изменить масштаб или симметрию системы в целом. Впрочем, на практике создать топологический дефект оказывается гораздо проще, чем пронаблюдать за его разрушением, поэтому такие процессы пока изучены сравнительно плохо.

Группа физиков под руководством Дэвида Холла (David Hall) впервые «засняла» распад квантового узла — топологического дефекта в конденсате Бозе — Эйнштейна, состоящего из атомов с единичным спином. Грубо говоря, квантовый узел можно представлять себе как бесчисленное множество колец, которые склеены друг с другом и образуют торообразную структуру. Математически такой узел представляет собой расслоение Хопфа. Стоит отметить, что впервые квантовые узлы в бозе-конденсате «завязала» в 2016 году та же группа исследователей. Для этого ученые поворачивали спины сконденсированных атомов рубидия-87 с помощью внешнего магнитного поля. Чтобы аккуратно описать дальнейшую эволюцию узлов, ученым понадобилось еще четыре года (хотя статья была опубликована в январе 2016, результат ученые получили в июле 2015).

Разумеется, в новых экспериментах физики «завязывали» квантовые узлы тем же способом, что и в оригинальной работе. Прежде всего, исследователи загружали в оптическую ловушку бозе-конденсат из 250 тысяч атомов рубидия-87, находившихся в основном состоянии с нулевым спином. Затем ученые быстро создавали квадрупольное магнитное поле, центр которого был расположен внутри конденсата, и поддерживали его около 500 микросекунд. В результате часть атомов возбуждалась и переходила в состояние с единичным спином, и в конденсате формировались квантовые узлы. После этого ученые заменяли квадрупольное поле однородным магнитным полем напряженностью около одного гаусса, которое физики поддерживали на протяжении периода T. Поскольку такие преобразования изменяли симметрию системы, квантовые узлы начинали распадаться. Наконец, исследователи резко повышали напряженность поля, выпускали атомы из ловушки, разделяли спинорные компоненты и снимали изображение конденсата. Изменяя время эволюции T, ученые получали «фотографии» узлов в разные моменты времени и склеивали их в полноценный «фильм».

В результате физики выделили два этапа эволюции квантовых узлов. В ходе первого этапа, который длился несколько миллисекунд после выключения квадрупольного поля, квантовые узлы сохраняли свою форму, хотя состояние конденсата изменялось. После этого концы узла начинали «разъезжаться», а на границе конденсата формировалась ферромагнитная фаза. Более того, примерно через 500 миллисекунд в конденсате формировался отчетливо различимый вихрь, который сохранялся в течение нескольких последующих секунд. Таким образом, топологический дефект «понижается» от третьей (узел) до первой (вихрь) топологической группы. Численное моделирование с помощью уравнения Гросса — Питаевского и метода среднего поля в целом воспроизводят эти результаты.

 

 

 

 

Физики подчеркивают, что вихри невозможно получить из простой смеси атомов с разным спином. Кроме того, исследователи считают, что полученная картина напоминает исследования, в которых различные топологические дефекты плавно переходят друг в друга через промежуточную ферромагнитную фазу. Правда, в этом случае переход сопровождает временны́е, а не пространственные изменения.

Один из самых известных примеров топологических дефектов — это вихри и антивихри, возникающие в XY-модели (двумерной векторной спиновой модели с U(1)-симметрией). Этот пример особенно интересен тем, что за счет образования топологических дефектов в системе происходит фазовый переход, которого в противном случае был бы невозможен. За открытие этого перехода Майкл Костерлиц и Дэйвид Таулесс в 2016 году получили Нобелевскую премию по физике. Подробнее про XY-модель и топологические дефекты можно прочитать в статьях «Нобелевская премия по физике — 2016», «Фазовые переходы в двумерном мире, где их быть не может» и «Топологически защищен».

Дмитрий Трунин

Источник: N+1