«Наши квантовые капли находятся в газовой фазе, но они все еще падают, как скала», — объясняет физик-экспериментатор Франческа Ферлайно, говоря об увлекательном эксперименте. В лаборатории ее команда наблюдала, как в квантовом газе образуются макрокапли. Ученые были удивлены, обнаружив, что квантовые капли удерживаются вместе почти без внешнего вмешательства и исключительно за счет квантовых эффектов. Это открытие исследовательской группы в Инсбруке и аналогичная работа, выполняемая одновременно исследовательской группой из Штутгартского университета, работающей с магнитным элементом диспрозием, открывают совершенно новую область исследований в области ультрахолодных квантовых газов.
В своем эксперименте исследователи получили бозе-эйнштейновский конденсат атомов эрбия при чрезвычайно низких температурах в вакуумной камере. Затем они управляли взаимодействием частиц с помощью внешнего магнитного поля. Уникальные свойства магнитных атомов позволили подавить регулярные взаимодействия до такой степени, что квантовые корреляции стали движущей силой. Со своей командой Ферлайно смог доказать, что квантовые флуктуации приводят к эффективному отталкиванию частиц, которое обеспечивает необходимое поверхностное натяжение для стабилизации квантовой капли от коллапса. «В нашем эксперименте мы впервые реализовали управляемый переход от конденсата Бозе-Эйнштейна, который ведет себя как сверхтекучий газ, в единую гигантскую жидко-подобную квантовую каплю из 20 000 атомов», — объясняет физик-экспериментатор и первый автор. исследования Лауриан Чомаз.
Благодаря точному контролю межатомных взаимодействий в эксперименте физики смогли окончательно доказать важность квантовых флуктуаций, сравнив свои экспериментальные данные с теорией, разработанной исследовательской группой Луиса Сантоса из Университета Ганновера.Превосходное согласие между теорией и экспериментом раскрыло роль квантовых флуктуаций вместе с противоречащими интуиции свойствами этой новой фазы материи, которая может быть обнаружена между газообразными конденсатами Бозе-Эйнштейна и жидким сверхтекучим гелием. Дальнейшие исследования этого состояния капли могут способствовать расширению наших знаний о сверхтекучести. Наряду с гелием квантовая капля является единственной известной сверхтекучей системой жидкого типа.
Ультрахолодные квантовые газы предлагают уникальную и совершенную платформу для изучения этого явления из-за их высокой чистоты и возможности настройки. В долгосрочной перспективе эта фаза материи может привести к новым открытиям, имеющим отношение к изучению сверхтвердости, которая представляет собой сверхтекучую конденсированную среду.Франческа Ферлайно — профессор Института экспериментальной физики Университета Инсбрука и научный руководитель Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук. Эксперимент проводился в тесном сотрудничестве с группой физиков-теоретиков во главе с Луисом Сантосом из Ганноверского университета.
Он был поддержан, в частности, Немецким исследовательским фондом (DFG).