Как несколько атомов могут повлиять на фазу всей системы

В мире, где границы между микромиром и макромиром стираются, ученые ловят атомы словно бабочек и наблюдают, как они танцуют в лучах света. Этот танец открывает новые тайны о том, как маленькие частицы создают большие перемены — прямо на наших глазах.

Ученый и ее инструмент. Ведущий автор статьи Жаклин Хо работает над экспериментальной установкой, в которой ультрахолодные атомы захватываются в пинцетные массивы, помещаются в высокоточный оптический резонатор и приводятся в движение резонансным светом. Мезоскопическая система атом-полость претерпевает фазовый переход, нарушающий симметрию, динамика которого исследуется оптически с высоким временным разрешением

Источник: University of California Berkeley/Columbia University

Физики из Калифорнийского университета в Беркли и Колумбийского университета представили новую методику для изучения мезоскопических систем — физических систем среднего размера, которые содержат от одного до нескольких десятков атомов. Работа опубликована в Nature Physics. Мезоскопические системы занимают промежуточное положение между микроскопическими, где важны свойства отдельных частиц, и макроскопическими, в которых проявляется коллективное поведение большого числа частиц.

Исследователи использовали массивы атомных пинцетов — лазерных ловушек, позволяющих захватывать и точно размещать атомы внутри оптической полости, пространства между двумя зеркалами с высокой отражательной способностью. Свет внутри полости создает стоячие волны, которые взаимодействуют с атомами и вызывают их самоорганизацию — коллективное смещение в области пиков поля, сопровождаемое фазовым переходом, переходом вещества из одного состояния в другое с изменением свойств.

Эксперимент показал, как флуктуации и взаимодействия атомов приводят к нарушениям симметрии — состояниям, когда система становится упорядоченной. Временные рамки таких переходов в мезоскопических системах короче и доступны наблюдению, что помогает понять динамику фазовых переходов.

Экспериментальное оборудование для изучения мезоскопических атомных метаматериалов. Крупным планом показано хитроумное устройство из оптики, креплений и вакуумного оборудования, которое используется для производства ультрахолодных атомов рубидия, доставки их в пространство между двумя зеркалами с высокой отражательной способностью и изучения их механического отклика на внешние силы привода и силы, опосредованные полостью

Источник: University of California Berkeley

Ученые также продемонстрировали программируемый контроль над системой, изменяя число атомов и силу их связи со светом. Это открывает возможности для создания квантовых симуляторов — устройств для изучения сложных квантовых явлений и новых материалов.

Такие исследования помогают ответить на фундаментальные вопросы физики о времени сохранения состояний и переключениях в мезоскопических системах, расширяя понимание квантового мира и его приложений.

Ранее Наука Mail рассказала о российской разработке, которая объединяет квантовые вычисления и химическое моделирование для прорыва в медицине и технологиях.