Получено вещество из «неклассического» мира

Столкновение трех атомов в магнитном резонаторе. Иллюстрация Physorg

В Древнем Риме отпрысков знатных родов (genus (ген) – лат.), не желавших следовать родственной стезе, называли дегенератами, или отщепенцами, ухудшающими породу и теряющими достоинства происхождения. Слово, как видим, одно, но его можно нагружать самыми разными смыслами, что и делают сегодня специалисты в области квантовой физики.

Индийский физик-теоретик Шотендронат Бозе и Альберт Эйнштейн задались около века назад вопросом, касающимся состояния вещества, охлажденного до температуры, которая близка к абсолютному нулю (0 градусов шкалы лорда Кельвина; на шкале Цельсия этой точке соответствует температура 273 градуса ниже нуля. Расчеты показали, что хаотическое движение атомов прекратится и возникнет так называемый квантовый конденсат, ведущий себя как единое целое. Экспериментально конденсат Бозе–Эйнштейна (BEC) был получен уже после Второй мировой войны.

Индиец Бозе занимался и другими вопросами, память о чем осталась в названии термина «бозон». К бозонам относятся, например, фотоны. Причем фотон обладает нулевым спином (то есть, если немного упрощать, не крутится вокруг своей оси).

В противоположность бозонам физики различают другой класс элементарных частиц – фермионы, названные так, естественно, в память об итальяно-американском физике Энрико Ферми. Это именно он первым осуществил запуск в декабре 1942 года ядерного «котла», с чего началось создание атомной бомбы в США. Фермионы, к которым относятся электроны, протоны и нейтроны, имеют ненулевые спины: дробный – у электрона (1/2); целочисленный – у протона (1). Электронный спин еще только пытаются использовать в устройствах спинтроники. А вот протонный спин давно нашел воплощение во всем известных МР-томографах.

Спин вращающегося на орбите вокруг ядра электрона может взаимодействовать с ядром, благодаря чему и формируется атом (а не только за счет электростатического взаимодействия протонов и электронов).

Национальный Институт стандартов и технологии (ИСТ) занимается в США вопросами мер и весов. Федеральное учреждение давно сотрудничает с лабораторией JILA в Колорадском университете, где в 2003 году Дебора Джин получила первый конденсат Ферми, соответствовавший ВЕС. Так началась гонка за создание молекулярного конденсата, который и был получен пять лет спустя. В начале ноября 2015 года JILA получила первый квантовый кристалл, использовав для этого оптическую ловушку (она образуется пересечением двух лазерных лучей, в результате чего возникают лунки с пониженной энергией). В углублениях помещаются сверххолодные атомы калия и рубидия (K, Rb), формирующие молекулы с мигрирующими спинами. Так были получены кристаллы веществ, которые в «классическом» мире не кристаллизуются.

И вот два новых сообщения, опубликованных в журнале Science. Первое представляет собой описание квантованного молекулярного газа из атомов К и Rb, охлажденных до 50 нанокельвинов (миллиардных долей градуса Кельвина)! Причем большую часть молекул – 100 тыс. – американские физики смогли охладить лишь до 250 нК, и только 25 тыс. – до 50нК. Охлаждение также способствовало образованию газа-дегенерата Ферми (degenerate Fermi gas – так пишут авторы), молекулы которого обладают наименьшей энергией и соответственно энтропией (мерой хаоса, беспорядка). Квантовые эффекты системы начинают преобладать над классическими. Это проявляется в возникновении материальных волн (волн материи), длина которых больше расстояний между молекулами. Это состояние физики и называют дегенеративным. Волны живут несколько секунд, что неимоверно долго для квантовых систем.

Второе сообщение пришло из Университета науки и технологии в городе Хефей (Китай). Речь идет не о двух атомных молекулах KRb, а о взаимодействии молекулы с атомом! Манипулирование этой сложной системой осуществлялось с помощью магнитного поля мощностью 43–120 гаусс, используемого в аппаратах МРТ. Физики из Хефея полагают, что полученное ими разрешение позволяет углубить знание о взаимодействии трех тел в квантовой реальности.