2D бозе-стекло: открытие новой фазы материи бросает вызов статистической механике

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

В захватывающем мире квантовой физики, где привычные законы классической механики уступают место странным и контринтуитивным явлениям, ученые постоянно сталкиваются с загадками, переворачивающими наше представление о материи. Одним из таких головоломных феноменов является бозе-стекло — необычная фаза материи, существование которой долгое время оставалось лишь теоретическим предсказанием, порожденным сложными математическими моделями. Однако недавно физикам из Кавендишской лаборатории в Кембридже удалось не просто экспериментально подтвердить существование бозе-стекла, создав его двумерную модель, но и открыть его удивительные свойства, которые ставят под сомнение фундаментальные принципы статистической механики — раздела физики, описывающего поведение систем, состоящих из огромного числа частиц.

Бозе-стекло, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Чтобы понять, чем же так примечательно бозе-стекло и почему оно вызывает такой интерес у научного сообщества, давайте представим себе привычную ситуацию: чашку ароматного кофе, в которую вы добавляете немного молока. В обычных условиях, подчиняющихся законам классической физики, жидкости смешиваются, образуя однородный напиток, в котором молекулы кофе и молока равномерно распределены по всему объему. Но что, если бы кофе вдруг обрел свойства бозе-стекла? В этом случае добавленное молоко повело бы себя совершенно иначе: оно осталось бы локализованным, сохраняя четкие границы между собой и кофе, словно замороженное во времени. Каждая частица молока, подобно крошечному магниту, прочно «прилипла» бы к своему месту, не взаимодействуя с соседними частицами и не стремясь к равномерному распределению. Сложный узор из белых и черных полос, образовавшийся в момент добавления молока, остался бы неизменным, как на статичной фотографии, бросая вызов нашему интуитивному пониманию процессов смешивания и диффузии.

a, Двумерная квазикристаллическая оптическая решетка образуется путем наложения четырех независимых одномерных решеток в плоскости x-y, отмеченных маленькими стрелками. Глубокая решетка z (большие стрелки) делит систему на ряд независимых квазидвумерных слоев. b, Пример потенциала в одном слое. c, Отталкивающие взаимодействия могут делокализовать первоначально локализованную неупорядоченную систему. Сверху вниз на рисунках показан переход основного состояния системы с ростом химического потенциала μ, начиная с изолятора Андерсона (ИИ) в невзаимодействующем пределе (μ = ϵ0 = 0), где сила беспорядка Δ выше критической силы беспорядка для локализации Δc, через локализованное, но сжимаемое стекло Бозе (BG) при слабых отталкивающих взаимодействиях, когда бозоны перетекают в другие низколежащие минимумы и образуют локальные сверхтекучие лужицы, в сверхтекучий (SF), когда химический потенциал сравним или превышает силу беспорядка Δ.
Автор: Yu, JC., Bhave, S., Reeve, L. et al. Observing the two-dimensional Bose glass in an optical quasicrystal. Nature633, 338-343 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07875-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Секрет создания этого «замороженного» состояния, где частицы ведут себя словно застывшие во времени, кроется в особой структуре, которую исследователи из Кавендишской лаборатории получили с помощью прецизионного управления лазерными лучами. Эта структура, получившая название квазипериодической, обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллической решетке, например, дальним порядком, означающим, что расположение частиц в одной области пространства коррелирует с их расположением в другой, удаленной области. Однако, в отличие от обычных кристаллов, квазипериодическая структура не повторяется в пространстве, подобно узору на знаменитой мозаике Пенроуза, где невозможно найти два одинаковых фрагмента, несмотря на общую упорядоченность. Именно в этой «ловушке», созданной пересекающимися лазерными лучами, ультрахолодные атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (-273.15 градусов Цельсия), формируют бозе-стекло, демонстрируя свои уникальные свойства.

a, TOF-изображения (9 мс TOF, усреднение по 5 снимкам) для различных длин рассеяния a при фиксированной глубине решетки V0 = 2,8 Erec. Хотя система локализована в невзаимодействующих и очень слабо взаимодействующих случаях, появление резких интерференционных пиков при более сильных взаимодействиях свидетельствует о возникновении дальнодействующей фазовой когерентности, характерной для сверхтекучей жидкости. b, Ширина центрального пика, отличающего когерентную сверхтекучую жидкость (светло-голубой) от некогерентного бозе-стекла (темно-синий). Пунктирная линия — ориентир для глаза, указывающий на обнаруженную фазовую границу в центре облака. Она совпадает с линией, показанной на вставке. Белые точки и столбики ошибок обозначают предсказание КМК. Изображения в a соответствуют параметрам, отмеченным красными ромбами. На вставке показана доля конденсата fc, извлеченная из того же набора изображений, что подчеркивает сосуществование двух фаз. c, Фазовый переход в неоднородной системе. Заштрихованный гаусс обозначает плотность атомов в ловушке, а парабола представляет внешний потенциал ловушки. Для мелких решеток основное состояние является чисто сверхтекучим (слева). При невзаимодействующей критической глубине бозе-стекло начинает появляться на краю облака с низкой плотностью, где эффекты взаимодействия малы (середина). С увеличением глубины решетки фазовая граница постепенно перемещается внутрь, пока все облако не переходит в фазу бозе-стекла (справа).
Автор: Yu, JC., Bhave, S., Reeve, L. et al. Observing the two-dimensional Bose glass in an optical quasicrystal. Nature633, 338-343 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07875-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Открытие двумерной модели бозе-стекла имеет не только фундаментальное значение для нашего понимания природы материи и законов, управляющих ее поведением, но и открывает захватывающие перспективы для развития новых квантовых технологий. Локализованная система, частицы которой не взаимодействуют с окружающей средой и не подвержены влиянию внешних возмущений, может стать идеальным хранилищем квантовой информации, защищенным от декогеренции — процесса, который разрушает хрупкие квантовые состояния и является одним из главных препятствий на пути создания практически полезных квантовых компьютеров.

Одним из самых удивительных и интригующих свойств бозе-стекла, которое вызывает наибольший интерес у физиков, является его неэргодичность. Чтобы понять, что это означает, давайте вспомним понятие эргодичности, которое лежит в основе статистической механики. В эргодических системах, к которым относится подавляющее большинство материалов, окружающих нас в повседневной жизни, информация о начальном состоянии системы постепенно теряется со временем в результате хаотического движения и взаимодействия частиц. Система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое полностью определяется ее температурой и не зависит от того, в каком состоянии она находилась изначально. Бозе-стекло же, напротив, демонстрирует совершенно иное поведение: оно «помнит» свое начальное состояние, сохраняя информацию о нем на протяжении длительного времени, словно застывшая фотография, отражающая момент его образования. Эта удивительная способность «помнить» свое прошлое делает бозе-стекло уникальным объектом для изучения многочастичной локализации — явления, при котором частицы в системе остаются локализованными даже при наличии взаимодействий между ними, что противоречит интуитивным представлениям и классическим моделям.

a, Доля конденсата в двумерном квазикристалле (нормализованная в пределах каждого графика) как функция глубины решетки для различных длительностей нагружения и длин рассеяния. Хотя скачки длительностью 15 мс приводят к стабильно более низкой доле конденсата, нет последовательной разницы между скачками длительностью 30 мс и более. b, FWHM центрального пика (wr) после линейного скачка длительностью τ из 2D квазикристалла в регулярную 3D кубическую решетку, где основным состоянием является сверхтекучая жидкость. Цветные кружки соответствуют различным глубинам квазикристаллического потенциала V0 для фиксированной длины рассеяния a = 10a0. Для (синие кружки) начальное состояние в квазикристалле является сверхтекучим, а конечные состояния демонстрируют сильный сверхтекучий порядок для всех исследованных времен рампы. Для глубокого бозе-стекла в (красные кружки), напротив, отсутствует начальная когерентность, и только очень ограниченная степень фазовой когерентности может быть восстановлена, демонстрируя отсутствие адиабатической эволюции в бозе-стекло и из него. c, Эквивалентное измерение для изолятора Мотта в регулярной 3D кубической решетке (Vx, y, z = 16 Erec, a = 150a0). Хотя в исходном состоянии также отсутствует когерентность, она может быть быстро восстановлена путем уменьшения глубины решетки за τ ≳ 2 мс. Вставки в b и c показывают TOF-изображения, а OD обозначает оптическую плотность. d, Фазовая диаграмма, показывающая wr для медленного темпа с τ = 15 мс, выделяет три различных режима: чистая сверхтекучая жидкость (светло-голубой), промежуточный режим, когда в ловушке сосуществуют сверхтекучая жидкость и бозе-стекло, и, наконец, чистое бозе-стекло (более темный голубой). Переход в чистое бозе-стекло согласуется с фазовой границей, выделенной (пунктирная линия). e, Сравнение доли конденсата fc в квазикристалле с wr для a = 23a0, демонстрирующее согласованность всех наблюдений. Пунктирная линия обозначает критическую решетку, извлеченную из основной диаграммы, а серая область — промежуточный режим, в котором сосуществуют сверхтекучее и бозе-стекло. Сплошные линии на рисунках b, c и e являются ориентирами для глаз.
Автор: Yu, JC., Bhave, S., Reeve, L. et al. Observing the two-dimensional Bose glass in an optical quasicrystal. Nature633, 338-343 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07875-2 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Поиск материалов, обладающих многочастичной локализацией, является одной из ключевых задач современной квантовой физики, поскольку такие материалы могут стать базой для создания новых поколений квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные даже для самых мощных классических вычислительных машин. Однако путь к практическому применению бозе-стекла и других материалов с многочастичной локализацией еще далек и тернист. Ученым предстоит провести множество исследований, чтобы глубоко понять термодинамические и динамические свойства этих необычных систем, разгадать механизмы, лежащие в основе их уникального поведения, и найти способы управления ими. Но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что открытие двумерного бозе-стекла в Кавендишской лаборатории стало важным прорывом на пути к пониманию тайн квантового мира и созданию новых революционных технологий, основанных на его законах.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Дороги смерти: 7 самых опасных маршрутов планеты

Дороги — это не просто пути для движения транспорта, но и место, где ежедневно происходит множество событий, от жизненно важных до трагичных. Хотя большинство дорог по всему миру...

Чем российское молоко отличается от произведённого в США?

Молоко — один из главных и наиболее востребованных продуктов человечества. Благодаря высокому содержанию белка, кальция и других питательных элементов оно способствует поддержанию...

Обзор смарт-часов Black Shark GS3 со спортивным уклоном. GPS, фонарик, влагозащита и отсутствие измерения давления

Часы стали неотъемлемой частью для каждодневного использования. И если раньше они выполняли классические функции часов, то теперь в них появляется все больше различных функций для мониторинга...

Как начиналась история советских вертолётов и почему Як-24 стал важной вехой в авиации?

Сегодня вертолеты стали частью обыденной жизни, и их присутствие в небе никого не удивляет. Однако если взглянуть назад, легко понять, что еще несколько десятилетий назад такие машины...

ЯАЗ-200: как американские технологии помогли создать советский грузовик-легенду?

Грузовик ЯАЗ-200, впервые выпущенный в 1947 году, стал знаковым явлением для советского автопрома. Это был не просто автомобиль, а символ индустриального подъёма страны после войны. В его...