19.12.2018
атомная физика газов

Утоляя жажду к универсальности

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Хотя мы живем в мире постоянного движения, физики в основном сосредотачивают свое внимание на системах в состоянии равновесия или близких к состоянию равновесия, пишет издание Nature.

В течение прошлых десятилетий, однако, интерес к неравновесных системам увеличился. Его, в частности, подтолкнули достижения в квантовой механике, которые все больше превращают ее из фундаментальной науки на практическую технологию. Поэтому перед физиками встал важный вопрос: каким принципам подчиняются неравновесные квантовые системы? Такие авторы, как Prüfer et al., Eigen et al. и Erme et al. сообщают в Nature об экспериментах, которые позволяют частично ответить на этот вопрос. Их исследования впервые доказывают, что ультрахолодные атомные среды, которые далеки от равновесного состояния, демонстрируют свойство универсальности, в которой измеряемые экспериментальные параметры становятся независимыми от микроскопических деталей.

Исследователи использовали газ из атомов рубидия или калия, который охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю. При очень низких температурах эти атомы находятся в квантовом состоянии, которое называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. Дальше они резко изменили параметры системы — процесс, который называется “встряхиванием”. Напоминая мультипликационного персонажа, который вдруг осознает, что оказался над пропастью, встряхивания инициирует процесс, далекий от равновесного состояния.

Такие встряхивания нетрудно себе представить. В голову, однако, не укладывается то, что происходит впоследствии. Подумайте про все переменные, которые могут быть связаны с такими экспериментами: колебания энергии лазеров, вариации температуры лаборатории, микроскопические детали атомных взаимодействий и тому подобное. Ученые обнаружили, что динамика экспериментальных образцов — несмотря на то, что атомы в них были далеки от равновесного состояния, — была независимой от всех этих переменных.

Eigen et al., достигли этой универсальности, тщательно устраняя все переменные в эксперименте, кроме двух — плотности атомного газа и длины рассеяния. Второй параметр описывает, насколько атомы могут приближаться друг к другу, не взаимодействуя. Далее авторы эксперимента сделали еще один шаг вперед и устранили зависимость длины рассеяния от этих переменных.

Чтобы получить выходной конденсат, авторы придали длине рассеивания значение "0", то есть с помощью магнитного поля "выключили" взаимодействия между атомами. Впоследствии они “стряхнули” длину рассеяния до бесконечности — снова использовав магнитное поле. Если плотность газа увеличить, например, в восемь раз, то пространство между атомами увеличится вдвое. Если увеличить масштаб атомной системы на этих две величины, то она будет точно такой же, как и перед тем, как ее плотность увеличили, ведь длины рассеяния при значениях “0” и “∞“ не изменились.

Изменяя плотность газа, Eigen и коллеги наблюдали, что экспериментальная динамика не зависит от плотности после масштабирования как времени, так и пространства. Они также изменили температуру и установили, что принцип универсальности действует и тогда, когда учитывается еще одна переменная, а именно масштаб длины, при котором газ проявляет квантово-механическое поведение.

Prüfer et al., обнаружили совершенно иную форму универсальности. Извне эксперименты двух групп кажутся очень разными. Erme и коллеги начали с трехмерного газа, который в результате встряхивания становится одномерным и проанализировали плотность газа как функцию времени и пространства. Prüfer et al. исследовали его свойства только в одном измерении, когда встряхивание изменяет спины атомов. Но результаты, к которым пришли две команды, удивительно похожи: универсальность, которую они наблюдают, обусловлена явлением, которое они называют нетермальной фиксированной точной (non-thermal fixed point).

Вместе эти исследования делают большой шаг в понимании динамики неравновесных квантовых систем. Однако понимание принципа универсальности еще далеко от полного. Без ответа, в частности, остаются вопросы о том, каковы возможные классы нетермальных фиксированных точек? Что наступает при экстремально высоких или низких энергетических уровнях? Если на эти вопросы удастся ответить, то, возможно, неравновесные квантовые системы займут такое же место в лексиконе физиков, как и равновесные.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки