Экспериментальная тема

[XUC]

весь мир механическая система

 

[XUC]

 

[nurtay1994]

эфир это миф... (я так считаю)

 

[XUC]

нет
я этой темой занимаюсь 15 лет

 

[XUC]

Квантовая жидкость кристаллизовалась при нагревании​

Эффект обнаружили в дипольном бозе-конденсате

J. Sánchez-Baena et al. / Nature Communications, 2023; N + 1
Европейские физики обнаружили необычный эффект: квантовая жидкость кристаллизовалась в результате нагревания. Они увидели его в дипольном бозе-конденсате, запертом в длинной одномерной оптической ловушке. Формирование упоряденной фазы — сверхтекучего твердого тела — было вызвано влиянием квантовых флуктуаций на поведение вихрей в жидкости. Исследование Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в Nature Communications.
Сверхтекучее твердое тело (supersolid) — это экзотическая фаза вещества, Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в середине прошлого века и достоверно Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся лишь в 2017 году в бозе-конденсате холодных атомов. Ее название может ввести в заблуждение: атомы в оптических ловушках сложно назвать твердыми в механическом смысле. Тем не менее, то или иное воздействие на них способно периодически модулировать атомную плотность, из-за чего вся система приобретает кристаллический порядок. В сочетании с естественной сверхтекучестью — течении без трения — это и создает нужные условия для возникновения сверхтекучести твердого тела.
В проведенных на сегодняшний день экспериментах воздействие на атомы было самым разнообразным. Мы Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся, как для этого в конденсате на короткое время создают стоячую световую волну или резонансно возбуждают атомы, заставляя те интерферировать под влиянием спин-орбитального взаимодействия. В более поздней работе физики под руководством Франчески Ферлаино (Francesca Ferlaino) из Университета Инсбрука также использовали интерференцию, но уже Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся импульсами сжатия.
На этот раз группа Ферлаино объединилась с теоретиками из Орхусского университета под руководством Томаса Поля (Thomas Pohl), чтобы найти еще один физический способ достигнуть сверхтекучести твердого тела. Оказалось, что можно найти условия, при которых вихри в диполярном бозе-конденсате делают жидкое состояние энергетически невыгодным, из-за чего происходит спонтанное нарушение симметрии и образование упорядоченной фазы. При этом переход «жидкость — твердое тело» происходит при нагреве системы, а не при охлаждении, что характерно для веществ, с которыми обычно имеют дело физики.
Причиной такого необычного поведения стали квантовые флуктуации. Их роль возрастает в случае диполярного конденсата Бозе — Эйнштейна. В таком конденсате частицы взаимодействуют дипольно, из-за чего возможно как отталкивание, так и притяжение, конкурирующие с короткодействующим рассеянием атомов друг на друге.
Чтобы исследовать эти процессы, теоретики записали выражение для большого канонического потенциала конденсата, запертого в длинной одномерной оптической ловушке, который они минимизировали по волновой функции. Результат привел к записи уравнения Гросса — Питаевского, расширенного на случай конечных температур. Решение этого уравнения позволило построить фазовую диаграмму в координатах «температура — отношение дипольной и короткодействующей констант». Из нее следовало, что при неизменном взаимодействии между атомами жидкая фаза сменяется твердой при нагреве.
Чтобы проверить теорию, экспериментаторы помещали атомы диспрозия в вытянутую оптическую ловушку в постоянном магнитном поле, которое выстраивало атомы диспрозия. По мере охлаждения газа он конденсировался, а физики измеряли распределение в нем атомной плотности. Они фиксировали образование твердой фазы по модуляции атомной плотности вдоль ловушки. Экспериментальные точки хорошо совпали с предсказаниями теории на фазовой диаграмме.

Фазовая диаграмма, построенная путем решения уравнений Гросса — Питаевского (a) и с помощью эксперимента с диспрозиевым конденсатом (b). На рисунке (c) схематично изображено формирование упорядоченной фазы в одномерном конденсате.
J. Sánchez-Baena et al. / Nature Communications, 2023
Эффект модуляции теория объясняет тем фактом, что квантовые флуктуации в бозе-конденсате препятствуют подавлению ротонных (вихревых) возбуждений. Они, в свою очередь, расталкивают друг друга, формируя упорядоченную структуру. Вместе с тем, группа Ферлаино уже исследовала вихри в дипольном бозе-конденсате, состоящем из атомов диспрозия. Чтобы их увидеть, физики Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся сверхтекучий конденсат магнитным полем.

Источник Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся

 

[XUC]

Физики увидели полосы из вихрей в дипольном бозе-конденсате​

Для этого его пришлось хорошенько раскрутить

Lauritz Klaus et al. / Nature Physics, 2022
Европейские физики впервые увидели квантовые вихри в дипольном бозе-конденсате, состоящем из атомов диспрозия. Для этого они раскрутили конденсат вращающимся магнитным полем. Ученые смогли подтвердить предсказанные ранее эффект, заключающийся в том, что вихри в таких конденсатах способны выстраиваться в полосы вдоль магнитного поля. Исследование Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в Nature Physics.
Вихревое поведение жидкостей или газов встречается на самых разных масштабах. Размеры вихрей могут простираться от самых Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся до Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся. Вместе с тем в квантовом мире это явление тоже встречается, хотя и приобретает специфические черты.
Вихри играют особую роль в уникальной реакции сверхтекучих квантовых жидкостей на вращение. Если сверхтекучая среда, описываемая квантовомеханической волновой функцией, приводится во вращение, у нее нет иного выбора, кроме как перестроиться так, чтобы ее пронзил массив вихрей. При этом угловой момент частиц (электронов или атомов), вращающихся вокруг одного или нескольких вихрей, квантуется, то есть имеет дискретные значения.
Такие квантованные вихри впервые были Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в сверхтекучем жидком гелии еще в середине прошлого века. Через полвека их стали активно Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в Бозе — Эйнштейновских конденсатах. Чаще всего такие фазы вещества создаются на базе щелочных атомов: рубидия, натрия, калия — поскольку атомы этой группы Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся охлаждать и контролировать.
В последнее десятилетие, однако, начали появляться исследования, авторы которых Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся в конденсат атомы лантаноидов. Если щелочные атомы имеют малый магнитный момент и потому взаимодействуют через короткодействующие и изотропные Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся, для лантаноидов характерно более дальнодействующее и анизотропное магнитное дипольное взаимодействие. Теоретические исследования квантовых вихрей в дипольном бозе-конденсате предсказывают множество необычных эффектов, поэтому силы многих экспериментальных групп направлены на реализацию этого явления.
Впервые это удалось сделать Лаурицу Клаусу (Lauritz Klaus) из Института квантовой оптики и квантовой информатики в Инсбруке и его коллегам из Австрии и Италии. Они сформировали в оптической ловушке конденсат в виде диска из примерно 20 тысяч атомов диспрозия и раскрутили его с помощью магнитного поля. Физикам не только удалось увидеть сами вихри, но и разглядеть, как они выстраиваются в полосы, что ранее Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся теоретики.
Особенность магнитного дипольного взаимодействия в том, что параллельно расположенные магнитики отталкиваются. Вместо этого они стремятся выстроиться в линию: северный полюс к южному. Это выражается в Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся конденсата, то есть в деформации его формы под действием магнитного поля. Чтобы увидеть этот эффект, физики на три миллисекунды выключали ловушку и фотографировали тень конденсата. Еще одну фотографию они делали сбоку по истечении 26 миллисекунд, чтобы сосчитать число атомов.
Выравнивание магнитного поля вдоль оси диска немного деформировало конденсат, но оставляло его радиально-симметричным. Когда же физики наклоняли магнитное поле под углом 35 градусов к оси, конденсат вытягивался вслед за ним. Ученые использовали этот факт, чтобы заставить конденсат вращаться, раскручивая наклоненное поле вокруг оси.

Схема манипуляций над конденсатом. В отсутствии магнитного поля (i) его форма радиально-симметрична. Симметрия сохраняется, когда магнитное поле направлено вдоль оси (ii). Наклон поля (iii) деформирует конденсат, а его достаточно быстрое вращение при постоянном наклоне (iv) вызывает вихри.

При малых угловых скоростях вращения, конденсат сильнее вытягивался, но следовал за полем и вихрей не создавал. Но начиная с некоторого порогового значения скорости, вихри начинали появляться на краю конденсата и постепенно перемещались к его центру. Сама форма атомного облака при этом возвращалась к радиально-симметричной. Чтобы считать вихри на фотографиях, физики применяли к ним гауссово размытие, после чего вычитали результат из оригинального изображения. Локальные минимумы глубже некоторого порога свидетельствовали об образовании вихрей.
Теория предсказывает, что по мере релаксации вихри в конденсате должны выстраиваться в полосатую упорядоченную структуру вдоль силовых линий магнитного поля. К сожалению, время жизни атомов в конденсате было меньше, чем время релаксации. Несмотря на это, физики смогли увидеть образование полос в конденсате. Для этого авторы слегка уменьшили амплитуду магнитного поля, чтобы сократить длину рассеяния в газе, а также зафиксировали его под определенным углом на этапе времяпролетного измерения. Наличие устойчивого полосатого порядка подтвердил Фурье-анализ теней, усредненный по нескольким фотографиями.

Возникновение полос (a) в теории с достаточно долгим ожиданием, (b) в эксперименте и (c) в симуляциях с помощью расширенного уравнения Гросса – Питаевского. Левый столбец – фотография тени, средний – результат вычитания, правый – результат преобразования Фурье. Для проведения последнего физики усредняли изображение тени по нескольким снимкам. Белая стрелка указывает направление поля.
Lauritz Klaus et al. / Nature Physics, 2022

Источник Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся

 

[XUC]

 

[XUC]

Для просмотра скрытого содержимого вы должны войти или зарегистрироваться.