Физики наблюдают, как ультрахолодные атомы образуют кристалл квантовых торнадо

Мир, в котором мы живем, управляется классической физикой. То, как мы движемся, где мы находимся и как быстро мы движемся, определяется классическим предположением, что мы можем существовать только в одном месте в любой момент времени.


Но в квантовом мире поведение отдельных атомов регулируется жутким принципом, согласно которому местоположение частицы является вероятным. Например, у атома есть определенный шанс оказаться в одном месте и еще один шанс оказаться в другом месте в одно и то же точное время.

Когда частицы взаимодействуют исключительно как следствие этих квантовых эффектов, должно возникнуть множество странных явлений. Но наблюдать такое чисто квантово-механическое поведение взаимодействующих частиц среди подавляющего шума классического мира — непростая задача.

Теперь физики из Массачусетского технологического института непосредственно наблюдали взаимодействие взаимодействий и квантовой механики в определенном состоянии материи: вращающейся жидкости из ультрахолодных атомов. Исследователи предсказали, что во вращающейся жидкости взаимодействия будут доминировать и заставят частицы проявлять экзотическое, никогда ранее не наблюдаемое поведение.

В исследовании, опубликованном сегодня в Природа, Команда Массачусетского технологического института быстро вращала квантовую жидкость из ультрахолодных атомов. Они наблюдали, как первоначально круглое облако атомов сначала деформировалось в тонкую игольчатую структуру. Затем, в момент, когда классические эффекты должны быть подавлены, оставив только взаимодействия и квантовые законы, чтобы доминировать над поведением атомов, игла спонтанно превратилась в кристаллический узор, напоминающий цепочку миниатюрных квантовых торнадо.

«Эта кристаллизация обусловлена ​​исключительно взаимодействиями и говорит нам, что мы переходим от классического мира к квантовому миру», — говорит Ричард Флетчер, доцент физики Массачусетского технологического института.

Результаты представляют собой первую прямую документацию на месте эволюции быстро вращающегося квантового газа. Мартин Цвиерлейн, профессор физики в Массачусетском технологическом институте имени Томаса А. Фрэнка, говорит, что эволюция вращающихся атомов во многом похожа на то, как вращение Земли вызывает крупномасштабные погодные условия.

«Эффект Кориолиса, объясняющий эффект вращения Земли, похож на силу Лоренца, которая объясняет, как заряженные частицы ведут себя в магнитном поле», — отмечает Цвиерлейн. «Даже в классической физике это приводит к образованию интригующих структур, подобных облакам, обвивающим Землю красивыми спиральными движениями. И теперь мы можем изучать это в квантовом мире».

Соавторами исследования являются Бисваруп Мукерджи, Эйрлия Шаффер, Парт Б. Патель, Чженджи Ян, Седрик Уилсон и Валентин Крепель, которые связаны с Гарвардским центром ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Исследовательской лабораторией электроники Массачусетского технологического института.