Новое открытие: квантовый хаос в ультрахолодном газе
Даже простые системы (наподобие нейтральных атомов) могут обладать хаотическим поведением, которое можно выявить с помощью инструментов квантовой механики. Революционное исследование австрийских физиков открывает новые пути к наблюдению взаимодействиймежду квантовыми частицами.
Группа Франчески Ферлено (Francesca Ferlaino) из Института экспериментальной физики при Иннсбрукском университете экспериментально продемонстрировала хаотическое поведение частиц в квантовом газе. «Впервые мы смогли пронаблюдать за квантовым хаосом в рассеянном поведении ультрахолодных атомов», - рассказывает в полном восторге Ферлено.
Для подтверждения своих результатов физики использовали теорию матрицы случайных величин, которую для описания сложных систем сформулировал нобелевский лауреат Ойген Вигнер (Eugene Wigner) в 1950-е годы. Хотя тогда мало что знали о взаимодействиях между нейтронами и ядрами атомов, Вигнер смог точно предсказать свойства комплексных спектров (с помощью случайных матриц). Сейчас эта теория применяется очень широко – не только в физике, но и в теории чисел, технологии беспроводной связи и в оценке финансовых рисков, среди прочих. В конъенктуре Боигаса-Джаннони-Шмита теория случайных матриц была увязана с хаотическим поведением в квантово-механических системах. Каталонский физик Ориол Боигас (Oriol Bohigas), который скончался в прошлом году, может считаться отцом-основателем исследований квантового хаоса.
Хаос в квантовом мире
Чтобы пронаблюдать это явление, иннсбруские физики охладили атомы эрбия до нескольких сот нанокельвинов и загрузили их в оптическую дипольную ловушку, состоящую из лазерных лучей. Затем они повлияли на рассеянное поведение частиц с помощью магнитного поля. Продержав атомы в ловушке 400 миллисекунд, исследователи замерили количество оставшихся там атомов – так они определили, в каком магнитном поле два атома объединяются в молекулу со слабой связью (в магнитных полях такого рода возникают так называемые резонансы Фано-Фешбаха). Меняя силу магнитного поля в каждом цикле эксперимента и повторив последний 14,000 раз, физики определили 200 резонансов.
«Мы были в восторге от того, сколько резонансов смогли обнаружить. Это беспрецендентное явление в физике ультрахолодных квантовых газов», - говорит коллега Ферлено Альберт Фриш (Albert Frisch). Для объяснения высокой плотности резонансов ученые применили теорию Вигнера и показали спаренность различных молекулярных уровней. Эти расчеты были проверены на компьютерных моделях, разработанных в группе Светланы Коточиговой в Университете Темпл (Филадельфия). «Особые свойства эрбия вызывают сложные отношения спаренности между частицами, которые можно описать как хаотические», - объясняет Ферлено. Эрбий – относительно тяжелый и очень магнитоактивный элемент, что и приводит к анизотропному взаимодействию между его атомами. «Оболочки электронов этих атомов не сферичны, а сильно деформированы. Из-за этого взаимодействие между двумя атомами эрбия существенно отличаются от таковых в других квантовых газах», - объясняет Фриш.
Экспериментальное изучение хаоса
В отличие от обычного употребления этого слова, для физиков хаос – это не беспорядок, а упорядоченная система, настолько сложная, что ее частицы демонстрируют случайное поведение. «Мы создали управляемую среду для изучения хаотических процессов. Мы не можем охарактеризовать поведение единичных атомов. Но, с помощью статистических методов, мы способны описать поведение всех частиц», - говорит Ферлено. Ученая проводит аналогию с отношениями между социологией (которая изучает крупные сообщества) и психологией (занимающейся отношениями между отдельными людьми).
Исследование представлено в журнале Nature.
По материалам пресс-релиза университета.
Артём Космарский nauka21vek.ru