Результаты, опубликованные в ноябре. В 4 выпуске журнала Science представлена первая наглядная демонстрация механизма Киббла-Зурека для квантового фазового перехода как в пространстве, так и во времени. Проф.
Ченг Чин и его команда физиков из Чикаго наблюдали переход в газообразных атомах цезия при температурах, близких к абсолютному нулю.
При фазовом переходе вещество меняет свою форму и свойства, как при переходе из твердого состояния в жидкость (например, лед в воду) или из жидкости в газ (например, из воды в пар). Они известны как фазовые переходы первого рода.
Непрерывный фазовый переход или переход второго рода формирует дефекты, такие как доменные стенки, космические струны и текстуры, где некоторая часть вещества застревает между областями в разных состояниях. Механизм Киббла-Зурека предсказывает, как такие дефекты и сложные структуры будут формироваться в пространстве и времени, когда физическая система проходит через непрерывный фазовый переход. Примеры непрерывных фазовых переходов включают спонтанное нарушение симметрии в ранней Вселенной и, в случае эксперимента команды Чина, ферромагнитный фазовый переход в газообразных атомах цезия.
«Мы изучаем фазовые переходы, потому что это один из самых фундаментальных вопросов, который нас озадачивает», — сказал Чин, соавтор статьи. "Каково происхождение сложной структуры Вселенной, как возникают недостатки и как идентичные материалы со временем развивают различные свойства?"
Космологи, изучающие происхождение, эволюцию, структуру и будущее Вселенной, также исследуют фазовые переходы в лаборатории, потому что это дает им представление о том, что происходило на протяжении всей истории Вселенной, в частности, во время ее формирования.
«То, что мы узнаем из тестирования KZM в нашей системе, не связано с происхождением Вселенной», — сказал Чин. "Скорее речь идет о том, как сложная структура развивается в процессе перехода. Это два разных, но связанных вопроса.
Вы можете спросить: «Откуда идет снег??’или’ Почему снежинки имеют красивую кристаллическую структуру?«Наше расследование больше посвящено второму вопросу."
Результаты эксперимента могут быть применены ко многим системам, таким как жидкие кристаллы, сверхтекучий гелий или даже клеточные мембраны, которые претерпевают одинаковые непрерывные фазовые переходы. «Все они должны обладать той же масштабной симметрией пространства-времени, которую мы видели здесь», — сказал Логан Кларк, докторант физики Калифорнийского университета в Чикаго и первый автор статьи.
В эксперименте пар атомов цезия охлаждали с помощью лазерных лучей, создавая квантовый газ цезия. Дополнительные лазерные лучи использовались для создания оптической решетки, которая выстраивала атомы газа в узоры.
Звуковые волны использовались для встряхивания оптической решетки и движения атомов через непрерывный ферромагнитный квантовый фазовый переход. Это заставило их разделиться на разные области с положительным или отрицательным импульсом. Исследователи обнаружили, что структура полученных доменов соответствует тому, что предсказывал механизм Киббла-Зурека.
«Квантовый газ, пересекающий фазовый переход в оптической решетке в нашем эксперименте, аналогичен всей ранней Вселенной, пересекающей фазовый переход», — сказал Кларк. «Любая система, претерпевающая непрерывный фазовый переход, должна иметь те же свойства, что и в нашем эксперименте."
По словам Лей Фэна, докторанта физики Калифорнийского университета в Чикаго и соавтора статьи, закономерности, которые сформировались, зависели от того, насколько быстро усиливалось количество встряхивания. "Чем быстрее усиливалось встряхивание, тем меньше доменов. Импульс атомов в различных областях жидкости был виден в микроскоп, поэтому мы могли видеть, насколько велики домены, и подсчитывать количество дефектов между ними."
Эрих Мюллер, профессор физики Корнельского университета, знакомый с результатами исследования, назвал полученные результаты «замечательной демонстрацией универсальности физики»."
«Та же теория, которая используется для объяснения образования структуры в ранней Вселенной, также объясняет формирование структуры в холодных газах», используемых в их экспериментах, — сказал Мюллер, не участвовавший в исследовании.
По словам Чина, эта работа способствует фундаментальному пониманию физики. «В то время как космологи все еще ищут доказательства механизма Киббла-Зурека, наша команда фактически увидела его в нашей лаборатории в образцах атомов при чрезвычайно низких температурах.
«Мы на правильном пути, чтобы исследовать другие интригующие космологические явления не только с помощью телескопа, но и с помощью микроскопа», — заключил он.