Поведение такой специальной жидкости в основном диктуется двумя типами возбуждений при низкой температуре, так как их умеренная энергетическая стоимость позволяет легко их возбудить. Первые — это фононные моды, хорошо известные длинноволновые кванты звуковой волны.
Вторые, гораздо более причудливые и интригующие, — это массивные квазичастицы, называемые ротонами. Они имеют большие импульсы, и, в отличие от обычных (квази) частиц, для которых энергия увеличивается с увеличением количества движения, соотношение дисперсии ротонов демонстрирует минимум при конечном импульсе, называемый импульсом ротона.
Это необычное поведение выражает тенденцию флюидов создавать коротковолновую модуляцию плотности в пространстве, что является предвестником кристаллизационной нестабильности. Такое поведение возникает из-за значительных перекрестных помех (или корреляций) между частицами из-за чрезвычайно высокой плотности жидкости.Ультрахолодные квантовые газы и, в частности, конденсаты Бозе-Эйнштейна, впервые реализованные в 1995 году, предлагают другую парадигму сверхтекучести, где из-за гораздо более низких плотностей ротонная мода отсутствует. Однако в 2003 году теоретики предположили, что возбуждения ротонов могут также происходить в газовых конденсатах для особых типов взаимодействий между частицами.
По их мнению, магнитные атомы с их дальнодействующим и анизотропным диполь-дипольным взаимодействием позволят ввести замечательные корреляции между частицами, что приведет к соотношению дисперсии ротонов. Теперь, благодаря теоретическому вкладу исследовательской группы Луиса Сантоса в Ганноверском университете и Рика ван Бийнена из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук, команда под руководством Франчески Ферлайно из Департамента экспериментальной физики из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук впервые продемонстрировали возбуждение ротонов в дипольном квантовом газе.
Ротон, наблюдаемый в дипольном квантовом газеВпервые в мире ученые из Инсбрука реализовали конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов эрбия в 2012 году.
Сильный магнитный характер этих атомов приводит к экстремальному дипольному поведению квантовой системы. С помощью этой модельной системы они уже смогли обнаружить несколько диполярных эффектов нескольких и многих частиц. Группе теперь удалось приготовить конденсат Бозе-Эйнштейна из примерно 100 000 атомов эрбия таким образом, чтобы возникла ротонная мода. «Мы используем сигарообразную ловушку лазерного света и ориентируем атомные диполи поперек нее благодаря магнитному полю», — объясняет первый автор Лориан Чомаз.
В этой геометрии атомные диполи притягиваются друг к другу, когда они сидят вдоль короткого направления сигары, и отталкиваются, когда они сидят вдоль длинной. «Дальнодействующий характер диполярного взаимодействия вводит перекрестные помехи между различными направлениями сигарной ловушки и характеристиками притяжения / отталкивания взаимодействия в этой ловушке». Это энергетически способствует модуляции облака вдоль длинного направления сигары с длиной волны, соответствующей короткой длине сигары. Это ротонное возбуждение. «Дополнительно подавляя силу межчастичного взаимодействия, мы можем заполнить ротонную моду», — говорит Чомаз.
Новый акцент на сверхтвердостиУспешное обнаружение этой долгожданной квазичастицы открывает путь для дальнейших исследований сверхтекучести. Кроме того, это также создает возможности для исследования парадоксального состояния вещества, которое одновременно проявляет свойства твердых тел и сверхтекучих жидкостей. Первые свидетельства супертвердых состояний были представлены в прошлом году в гибридных системах атомов и света.
Исследователи из Инсбрука убеждены, что магнитные атомы могут предложить другую перспективу для прямого доступа к сверхтвердой фазе вещества. Наконец, этот прорыв подтверждает возможности, предлагаемые дипольными газами для новых парадигм квантовых жидкостей, что также было ранее продемонстрировано с открытием диполярных квантовых капель в группе Тилмана Пфау в Штутгарте.Работа ученых из Инсбрука финансировалась, в частности, Австрийским научным фондом FWF и Европейским союзом.Дополнительная информация о ротоне и сверхтекучести: в 1940-х годах, когда сверхтекучий гелий был новой загадкой, советский физик Лев Ландау сделал большой шаг вперед в понимании сверхтекучести, когда представил концепцию квазичастиц для описания того, как эта квантовая жидкость возбуждается.
Квазичастицы соответствуют коллективным состояниям возбуждений жидкости и, подобно фотонам, являющимся возбуждениями электромагнитного поля, ведут себя как частицы, несущие четко определенные импульс и энергию. Инверсия импульса определяет длину волны, соответствующую периоду пространственной модуляции, связанной с возбуждением. Квазичастицы в основном характеризуются соотношением, связывающим их импульс и их энергию, так называемым дисперсионным соотношением.
Обладая замечательной интуицией, Ландау постулировал существование двух различных типов квазичастиц, фононов и ротонов, которые он феноменологически различал по разному соотношению дисперсии. Хотя энергия обычно увеличивается с увеличением количества движения, как и для фононов, ротоны представляют собой особые возбуждения, которые имеют большой импульс, но демонстрируют минимум энергии.
Это указывает на то, что система более предпочтительно возбуждается с модуляцией длины волны, соответствующей минимуму энергии, длине волны ротона. Интуиция Ландау была предметом интенсивных дискуссий, в частности, с коллегой Фрицем Лондоном, и была подтверждена и дополнительно исследована многочисленными экспериментами, начиная с 60-х годов.С середины 1990-х годов исследования сверхтекучести получили новый импульс с созданием газообразных конденсатов Бозе-Эйнштейна в лаборатории. Квантовые газы подтверждают универсальность сверхтекучего поведения, впервые обнаруженного в жидком гелии.
Жидкий гелий и ультрахолодные газы обладают множеством общих свойств, но, в отличие от плотного жидкого гелия, квантовые газы обычно поддерживают только фононные возбуждения и не поддерживают ротоны. Это связано с тем, что из-за того, что газы сильно разбавлены, перекрестные помехи между частицами очень слабые.
В гелии взаимодействие между частицами настолько сильное, что они заставляют частицы стремиться разделяться на определенное расстояние, что приводит к предпочтительной длине волны возбуждения — длине волны ротона.