Исследователи создали новую форму квантовой материи в результате прорыва в области "волн плотности".

Исследователи создали новую форму материи, используя ферми-газ и оптический резонатор. Эта материя демонстрирует экстремальные взаимодействия между частицами, как локальные, так и дальнодействующие. Это открытие может улучшить наше понимание сложных материалов и помочь в решении некоторых великих загадок физики, таких как высокотемпературная сверхпроводимость.

Квантовая физика с ее парадоксами и загадками долгое время считалась уделом теоретиков. Однако исследователи во всем мире превращают эту абстрактную науку в конкретные технологии. Одним из наиболее перспективных направлений является квантовая материя, где с помощью манипуляций с субатомными частицами создаются новые формы материи и новые технологии.

Именно в этом контексте исследователи из Инсбрукского университета и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) сделали важное открытие. Первое касается создания кристаллических структур, известных как "волны плотности", в атомных газах. Это открытие может помочь нам лучше понять поведение квантовой материи при температурах, близких к абсолютному нулю. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Волны плотности - свидетельство скрытого порядка в веществе

Волны плотности - это явление, возникающее в различных типах материалов, включая металлы, диэлектрики и сверхпроводники. Каждый тип материала обладает уникальными характеристиками, которые могут влиять на формирование и поведение волн плотности.

Они являются результатом внутреннего порядка, который проявляется в том, что частицы в материале выстраиваются в регулярную, повторяющуюся модель. Физик-теоретик Фарох Мивехвар из Инсбрукского университета и соавтор исследования поясняет в пресс-релизе: "Однако их изучение представляет собой сложную задачу, особенно когда этот порядок (чередование частиц в волне) согласуется с другими типами порядка, такими как сверхтекучесть - свойство, позволяющее частицам двигаться без сопротивления". Когда присутствует сверхтекучесть, она может сосуществовать с волнами плотности, что делает анализ этих систем еще более сложным.

Сверхтекучесть и волны плотности - это два примера так называемых "квантовых состояний материи". Эти состояния являются результатом сложного взаимодействия между частицами при сверхнизких температурах. Понимание того, как эти состояния сосуществуют и взаимодействуют друг с другом, является одной из важнейших задач современной квантовой физики.

Новый экспериментальный подход к изучению взаимодействия света и материи

Для изучения взаимодействия волн плотности и сверхтекучести исследователи создали "Ферми-газ". Этот газ состоит из атомов лития, охлажденных до чрезвычайно низких температур, близких к абсолютному нулю. При таких температурах атомы часто сталкиваются друг с другом, что создает идеальную среду для изучения квантовых взаимодействий.

Следует помнить, что Ферми-газ является уникальной системой, поскольку в нем проявляется сильное взаимодействие между частицами и при этом он остается достаточно простым для теоретического изучения. После того как Ферми-газ был создан, исследователи поместили его в оптический резонатор. Это устройство, позволяющее удерживать свет в небольшом пространстве в течение длительного времени. Он состоит из двух зеркал, расположенных друг напротив друга, между которыми свет может отражаться тысячи раз, не выходя за пределы камеры.

В такой полости фотон - частица света, испущенная атомом, — может проскочить между зеркалами и быть поглощенным другим атомом, независимо от того, на каком расстоянии он находится от первого. Таким образом, между атомами возникает дальнодействующее взаимодействие, труднодостижимое в других системах. При достаточном количестве испущенных и поглощенных фотонов атомы Ферми-газ начинают выстраиваться в коллективную волновую структуру плотности.

Новая форма материи

Профессор Жан-Филипп Брантут из EPFL, соавтор исследования, говорит: "Такое сочетание атомов, сталкивающихся непосредственно друг с другом в газе Ферми и одновременно обменивающихся фотонами на больших расстояниях, представляет собой новый тип материи, где взаимодействие является экстремальным и настраиваемым".

В этой системе взаимодействия между частицами можно регулировать, изменяя условия эксперимента, такие как температура или плотность газа. Эта новая форма материи уникальна тем, что допускает как локальные (прямые столкновения между атомами), так и дальние (опосредованные обменом фотонами) взаимодействия. Это создает богатую среду для изучения квантовых явлений, где эффекты квантовой механики можно наблюдать в макроскопическом масштабе.

Исследователи надеются, что это открытие улучшит наше понимание некоторых из самых сложных материалов. Так, многие материалы демонстрируют необычное поведение при низкой температуре или высоком давлении, что часто является результатом сложных квантовых взаимодействий, как упоминалось ранее.

Изучая эту новую форму материи, можно было бы понять высокотемпературную сверхпроводимость — явление, при котором определенные материалы могут проводить электричество без сопротивления при температурах, намного превышающих ожидаемые. Это может иметь серьезные последствия для технологий, от энергетики до вычислений, от обеспечения более эффективной передачи и хранения энергии до разработки жизнеспособных квантовых компьютеров.