Бозе-конденсат образовался за рекордно короткое время ( 1 фото )

Изображение решетки из наночастиц золота, полученное при помощи электронной микроскопии. Диаметр каждой частицы — около 100 нанометров

Aaro Väkeväinen et al. / Nature, 2020

Физики продемонстрировали сверхбыстрое возникновение конденсата Бозе — Эйнштейна на двумерной решетке из наночастиц золота. Длительность процесса, по оценкам ученых, составляет около 100 фемтосекунд — таким образом, эксперимент позволяет изучать и регулировать эффекты квантовой динамики на очень коротком масштабе времени. Работа опубликована в журнале Nature.

Под идеальным конденсатом Бозе — Эйнштейна (или бозе-конденсатом) понимают равновесную систему из макроскопического числа бозонов (то есть частиц или квазичастиц с целым спином), которые находятся в одинаковом квантовом состоянии с минимальной энергией. Особенность бозе-конденсата в том, что он проявляет квантовые свойства на макроскопическом масштабе. Благодаря этому вещество можно эффективно использовать для изучения эффектов квантовой механики и применения их в технике. В более общем смысле к конденсату Бозе — Эйнштейна относят также неравновесные и квазиравновесные системы, что значительно расширяет набор наблюдаемых явлений.

Один из способов создать бозе-конденсат при комнатной температуре — использовать плазмонную решетку — двумерную структуру из регулярно расположенных металлических наночастиц. Преимущество таких систем в том, что форму наночастиц и расстояние между ними можно регулировать с высокой точностью (вплоть до единиц нанометров). Благодаря этому физические процессы (такие, как термализация, то есть установление теплового равновесия) можно наблюдать во времени — возмущения распространяются по регулярной решетке с постоянной скоростью, и расстояние становится мерой времени. Кроме того, высокоточная регулировка параметров решетки позволяет надежно выявлять и использовать их связь с характером возникающих квантовых эффектов.

Финские исследователи под руководством Пяйви Тёрмя (Päivi Törmä) из Университета Аалто изучили образование бозе-конденсата на прямоугольной плазмонной решетке с длиной стороны 100 микрометров, которую они составили из цилиндрических наночастиц золота. Диаметр цилиндров составлял около 100 нанометров, высота — около 50, а периоды решетки по двум направлениям — 570 и 620 нанометров. В ходе эксперимента металлические частицы образца были окружены раствором органического красителя (C42H49ClN2O4S), который ученые подвергали оптической накачке (то есть приводили молекулы в состояние энергетического возбуждения) при помощи коротких лазерных импульсов. Взаимодействие света с веществом провоцировало возникновение бозе-конденсата квазичастиц, состоящих преимущественно из фотона и коллективных колебаний электронов в металле. Образец, в свою очередь, испускал собственный световой пучок, который авторы регистрировали и анализировали при помощи системы оптических приборов, устанавливая, в частности, сформировался ли бозе-конденсат.

В результате исследователям удалось подтвердить образование конденсата Бозе — Эйнштейна за сверхкороткое время — около 100 фемтосекунд (10–13 секунды, тогда как обычная длительность на порядок больше — от тысяч фемтосекунд). Разрешение камер не позволило регистрировать столь кратковременный процесс, и для оценки его скорости физики регулировали продолжительность внешнего лазерного импульса. Так, при длительности импульса в 50 фемтосекунд конденсат наблюдался, а при длительности 300 фемтосекунд — уже не возникал: скорость провоцирующего процесса становилась недостаточной. Опыт также продемонстрировал значительный прогресс в интенсивности собственного светового пучка — спектрометр в экспериментальной установке в среднем регистрировал порядка миллиарда фотонов на один импульс, что в сотни тысяч раз превосходит результаты аналогичных измерений двухлетней давности и позволяет значительно точнее проверить законы квантовой статистики.

Авторы отмечают, что плазмонные решетки открывают большие перспективы в исследовании кратковременных взаимодействий света и вещества. Возможность с высокой точностью регулировать материал, форму и размеры таких поверхностей переходит в возможность надежно проверять или опровергать теоретические предсказания, исследуя их в широком диапазоне изменения параметров.

В недавней новости мы рассказывали о том, как бозе-конденсат повел себя в условиях микрогравитации на МКС, а в материале «Квантовые кентавры» — разбирались в особенностях этого состояния вещества на примере автомобилей.

Николай Мартыненко

Материал взят: Тут