Світ, у якому ми живемо, керується класичною фізикою. Як ми рухаємося, де ми перебуваємо і як швидко ми йдемо - все це визначається класичним припущенням, що ми існуємо тільки в одному місці в будь-який момент часу.
Але у квантовому світі поведінка окремих атомів регулюється моторошним принципом, згідно з яким місце розташування частинки є ймовірністю. Наприклад, в атома є певний шанс опинитися у двох різних місцях одночасно.
Коли частинки взаємодіють, унаслідок різних квантових ефектів відбувається безліч дивних явищ. Але спостереження такої суто квантово-механічної поведінки взаємодіючих частинок серед переважного шуму класичного світу - справа непроста.
Нещодавно фізики Массачусетського технологічного інституту спостерігали серію взаємодій квантових частинок у конкретному стані матерії: рідині, що обертається, з ультрахолодних атомів. Дослідники передбачили, що в такій взаємодії вони продемонструють екзотичну, ніколи раніше не спостережувану поведінку.
У дослідженні, опублікованому січневому номері Nature, команда Массачусетського технологічного інституту описала стани квантової рідини з ультрахолодних атомів. Вони спостерігали, як спочатку кругла хмара частинок спочатку деформувалася в тонку, схожу на голку, структуру. Потім, у момент, коли класичні ефекти мали б придушитися, голка розсипалася кристалічним візерунком, що нагадує низку мініатюрних торнадо.
"Ця кристалізація зумовлена винятково взаємодією і говорить нам про те, що ми переходимо з класичного світу в квантовий", - каже Річард Флетчер, доцент фізики Массачусетського технологічного інституту.
Отримані результати є першим прямим документальним свідченням еволюції "квантового газу", що швидко обертається.
Професор фізики Мартін Цвієрлейн пояснює, що еволюція обертових атомів схожа на те, як обертання Землі формує великомасштабні погодні умови.
"Ефект Коріоліса, що пояснює обертання Землі, схожий на силу Лоренца, що пояснює поведінку заряджених частинок у магнітному полі", - зазначає Цвірлейн. "Навіть у класичній фізиці це призводить до утворення інтригуючих візерунків, наприклад, хмари обертаються навколо Землі красивими спіральними рухами. А тепер ми можемо вивчати це у квантовому світі".
У 1980-х роках фізики спостерігали нове сімейство матерії, відоме як квантові рідини Холла, які складаються з хмар електронів, що плавають у магнітних полях. Замість того, щоб відштовхуватися одна від одної й утворювати кристал, як передбачає класична фізика, частинки коригували свою поведінку залежно від того, що робили їхні сусіди, іншим, квантовим способом.
"Причина була в тому, що в магнітному полі електрони (класично) застигають на місці - уся їхня кінетична енергія вимикається, і залишається тільки взаємодія, - каже Флетчер. - Так виник цілий світ. Але його було дуже важко спостерігати і зрозуміти".
Зокрема, електрони в магнітному полі здійснюють дуже маленькі рухи, які важко помітити. Цвієрлейн і його колеги вирішили, що, оскільки рух атомів під час обертання відбувається на набагато більших масштабах, вони зможуть використовувати холодні атоми як замінники електронів і спостерігати ідентичну фізику.
Ми подумали: "Давайте змусимо ці холодні атоми поводитися так, як як якби вони були електронами в магнітному полі, але щоб ми могли точно керувати ними", - каже Цвієрлейн. - Тоді ми зможемо візуалізувати, що роблять окремі атоми, і подивимося, чи підкоряються вони тій самій квантово-механічній фізиці".
У своєму новому дослідженні фізики використовували лазери, щоб зловити в пастку хмару з приблизно 1 мільйона атомів натрію, і охолодили атоми до температури близько 100 нанокельвінів. Потім вони використовували систему електромагнітів і створили пастку для утримання атомів, обертаючи атоми, як кульки в чаші, зі швидкістю близько 100 обертів на секунду.
Команда сделала снимок облака с помощью камеры, а примерно через 100 миллисекунд исследователи заметили, что атомы закрутились в длинную, похожую на иглу структуру, которая достигла критической квантовой тонкости.
"У класичній рідині вона б просто продовжувала ставати тоншою, - пояснює Цвієрлейн. - Але у квантовому світі рідина досягає межі, до якої вона може бути тонкою".
"Коли ми побачили, що вона досягла цієї межі, у нас були всі підстави думати, що ми стукаємо у двері цікавої квантової фізики", - додає Флетчер.
"Тоді постало питання, що робитиме ця тонка як голка рідина під впливом суто обертальних і взаємодіючих чинників?".
У своїй новій роботі команда зробила вирішальний крок уперед, намагаючись побачити, як розвиватиметься голчаста рідина. У міру того, як вона продовжувала обертатися, фізики помітили, що квантова нестабільність починає проявлятися: голка коливається, потім закручується в штопор і, нарешті, розпадається на низку обертових згустків, або мініатюрних торнадо - квантових кристалів, які виникають виключно завдяки взаємодії обертання газу та сил між атомами.
"Ця еволюція пов'язана з ідеєю про те, як метелик у Китаї може викликати бурю тут, завдяки турбулентності", - пояснює Цвіерляйн.
"Тут у нас квантова погода: рідина, просто через свої квантові нестійкості, фрагментується в кристалічну структуру з невеликих хмар і вихорів. А це прорив - спостерігати ці квантові ефекти безпосередньо".
Джерело: phys.org
