​Вопрос изучения сложных квантовых систем на основе атомов, охлажденных до сверхнизких температур, важен в решении фундаментальных и прикладных задач. Эффективным инструментом для наблюдения коллективных квантовых эффектов является конденсат Бозе—Эйнштейна (БЭК). Основу БЭК составляют атомы, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю. В таком ультрахолодном состоянии сотни тысяч частиц скапливаются на самом низком энергетическом уровне, т.е. они ведут себя как одна макроскопическая квантовая волна. Таким образом, достигается максимально возможный контроль над частицами, который допускает квантовая механика. Что и приводит к большому экспериментальному и теоретическому интересу по изучению БЭК.

 

 

Рис. 1. Свободное падение классических атомов 87Rb, имеющих температуру 0.6 мкК (левая колонка), и конденсированных атомов 87Rb (правая колонка) после выключения удерживающей ловушки. Снимки сделаны с интервалом 5 мс.

Исследование инициировано экспериментальной работой П.Л. Чаповского с сотрудниками из ИАиЭ СО РАН, в которой исследовался разлет бозе-конденсата атомов рубидия после выключения удерживающего поля. Есть несколько признаков особого квантового поведения бозе-эйнштейновских конденсатов, которые позволяют отличить их от сильно охлаждённых, но классических атомов. Например, разлет бозе-конденсатов происходит быстрее вдоль направления наибольшей начальной локализации: в указанном эксперименте бозе-конденсат из сигарообразного облака при разлете превращается в диск. Так проявляется для квантовых объектов знаменитое соотношение неопределенности Гейзенберга для импульса и координаты атомов. В то время как облако классических атомов подчиняется совсем другим законам и при разлете превращается в шар.

 

Рис. 2. Поведение расчетной безразмерной интегральной плотности конденсированных атомов N = 2.3x105 при разлете: слева – конденсат в удерживающей ловушке в начальный момент времени, справа – анизотропный разлет конденсата после выключения удерживающего поля на больших временах.

В физическом эксперименте классические и конденсированные атомы присутствуют одновременно и действительно демонстрируют различное поведение при разлете, что делает изучение реальных бозе-газов достаточно сложной задачей. В рамках этой задачи были проведены экспериментальные и численные исследования бозе-конденсатов атомов рубидия с целью регистрации эффектов взаимодействия этих двух фракций. Метод был основан на количественном сравнении наблюдаемых характеристик БЭК с численными экспериментами, основанными на теории Гросса–Питаевского, которая хорошо описывает «чистые» бозе-конденсаты, т.е. БЭК без примеси классических частиц. Анализ, выполненный в исследовании, показывает, что для сильно вытянутого сигарообразного облака ультрахолодных атомов, присутствие большого количества классических атомов приводит к аномально быстрому разлету конденсированной фракции в радиальном направлении. Удобной количественной характеристикой этого эффекта является сравнение плотности конденсированных атомов в центре разлетающегося облака с предсказаниями теории Гросса–Питаевского.

Рис. 3. Результаты сравнения физического эксперимента и численных расчетов для числа конденсированных атомов N = 2.3x105(слева) и  N = 3.8x104 (справа): экспериментальные (кружки) и полученные численно по теории Гросса–Питаевского (сплошные линии) распределения плотностей конденсированных атомов по осям y и z в центре облака.

Выполненное исследование – еще один шаг на пути теоретического и экспериментального анализа поведения сложных квантовых систем ультрахолодных атомов. Результаты исследования, полученные коллективом в составе: к.ф.-м.н. Лиханова Ю.В., д.ф.-м.н. Медведев С.Б., д.ф.-м.н. Федорук М.П., д.ф.-м.н. Чаповский П.Л., были опубликованы в Письмах в ЖЭТФ в 2014 и 2016 гг.

Похожие новости

  • 16/09/2016

    В Новосибирске прошел 7‑й Российский семинар по волоконным лазерам

    ​7‑й Российский семинар по волоконным лазерам проведён с 5 по 9 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке Институтом автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН) совместно с Научным центром волоконной оптики (НЦВО РАН), Новосибирским государственным университетом (НГУ) и Институтом вычислительных технологий СО РАН (ИВТ СО РАН).
    2544
  • 06/09/2016

    В Новосибирске проходит VII Российский семинар по волоконным лазерам

    В новосибирском Академгородке 5 сентября начался VII Российский семинар с международным участием по волоконным лазерам. Семинар является научным форумом, имеющим целью представление последних достижений и обмен мнениями между русскоязычными учёными, работающими в области волоконных лазеров в ведущих зарубежных и российских исследовательских, технологических и образовательных центрах.
    2292
  • 13/09/2018

    В Новосибирске прошел 8-й Российский семинар по волоконным лазерам

    В новосибирском Академгородке прошел 8-й Российский семинар по волоконным лазерам, на котором были представлены последние достижения в области волоконных лазеров и их применений. Ученые, работающие в ведущих зарубежных и российских исследовательских, технологических и образовательных центрах, обсудили вопросы, связанные с этим направлением исследований.
    762
  • 18/04/2018

    Российский семинар по волоконным лазерам

    3–7 сентября 2018 г. в одном из крупнейших российских научных центров – новосибирском Академгородке пройдёт 8‑й Российский семинар по волоконным лазерам. Целью проведения семинара является представление последних достижений и обмен мнениями между русскоязычными учёными, работающими в области волоконных лазеров в ведущих зарубежных и российских исследовательских, технологических и образовательных центрах.
    1318
  • 01/09/2016

    Новый тип лазеров: перспективы применения

    Квантовые технологии, современная оптика, изучение лазеров уже много лет являются предметом исследований преподавателей и студентов НГУ. Часть этих исследований ведется в сотрудничестве с ведущими мировыми исследовательскими центрами.
    2764
  • 10/06/2017

    Новосибирскими учеными продемонстрирована оптическая линейка нового типа

    Сотрудники Лаборатории численного и экспериментального моделирования новых устройств фотоники НГУ, Института автоматики и электрометрии СО РАН и Института вычислительных технологий СО РАН в своей совместной работе предложили новый способ генерации широкополосного лазерного излучения.
    1429
  • 14/09/2017

    10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов»

    ​18-20 декабря 2017 года в новосибирском Академгородке (ИАиЭ СО РАН) состоится 10-я Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов». О конференции Всероссийская конференция "Физика ультрахолодных атомов" является ежегодным научным форумом, имеющим целью обсуждение новых теоретических и экспериментальных результатов в области лазерного охлаждения атомов и ионов, оптических стандартов частоты, ультрахолодных Бозе- и Ферми-газов, нелинейной лазерной спектроскопии.
    2336
  • 10/10/2017

    Молодежная конференция «Оптические и информационные технологии» прошла в новосибирском Академгородке

    ​​​Традиционная молодёжная конкурс-конференция «Оптические и информационные технологии» прошла с 25 по 27 сентября 2017 года в новосибирском Академгородке. Её организовали совместно Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН и Новосибирский государственный университет (НГУ) (при финансовой поддержке Российского научного фонда).
    1509
  • 05/12/2018

    Автоматика для цехов и проспектов

    ​В Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН прошло совещание по вопросам внедрения разработок института в реальном секторе экономики. Организатором мероприятия выступил департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска.
    813
  • 26/05/2017

    Статья новосибирского ученого о новом типе волоконных лазеров опубликована в журнале Nature Communications

    ​​Заведующий лабораторией волоконных лазеров НГУ, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН Дмитрий Чуркин вместе с коллегами из Университета Астон Марией Сорокиной и Шурикантом Сугаванамом опубликовали работу, посвященную актуальной теме: исследованию спектральных корреляций в случайном волоконном лазере.
    1742