Физики впервые смогли экспериментально наблюдать явление квантово-механического фазового перехода, которое было предсказано два года назад. Оказалось, его механизмы отличаются в зависимости от силы взаимодействия между частицами изучаемого атомного газа.

Группа ученых из Университета Инсбрука (Австрия) наблюдала поведение атомов цезия в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна. Охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю, атомы были «выстроены в ряд» с помощью оптической решетки. Полученные одномерные структуры носят название «квантовых проводов». Такой «провод» настолько тонок, что перенос заряда в нем начинает зависеть от квантовых эффектов. Более того, в подобной «одномерной системе» эффекты межатомного взаимодействия выражены сильнее, чем в трехмерном пространстве, говорит Ганс-Кристоф Нагерл (Hanns-Christoph Nägerl), возглавивший исследование. Использование внешнего магнитного поля позволяет настраивать параметры системы, заключенной в оптическую решетку. Это делает возможным разнообразные точные исследования в области физики твердого тела и конденсированных состояний.

В данном случае физики наблюдали переход от сверхтекучего состояния (жидкость Латтинджера) в фазу Моттовского диэлектрика. Эксперимент показал, что механизм, по которому происходит этот переход, различается в зависимости от силы взаимодействия между частицами исследуемого ультрахолодного атомного газа.

В случае слабого взаимодействия между бозонами переход описывается моделью Бозе-Хаббарда. Чтобы разместить атомы по отдельным «ячейкам» оптической решетки, требовалось приложить значительный потенциал.

Регулируя силу взаимодействия между атомами, ученые обнаружили, что при достаточно сильном взаимном отталкивании частиц они стараются избежать наложения своих волновых функций и формируют упорядоченный газ Тонкса-Жирардо. В этом случае даже незначительного потенциала оптической решетки достаточно, чтобы «закрепить» атомы на определенных местах. Необходимым условием проявления этого эффекта является среднее расстояние между частицами, примерно равное величине «ячейки» оптической решетки.

При сильном межатомном взаимодействии модель Бозе-Хаббарда становится непригодна для описания системы и уступает место уравнению синус-Гордона, имеющему точное решение. Изучив фазовые переходы в различных условиях, ученые смогли связать между собой эти две модели. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature.

Наблюдаемое явление было предсказано группой физиков-теоретиков, двое из которых также работают в Университете Инсбрука, двумя годами ранее.

По пресс-релизу Universität Innsbruck