Атомный аккордеон: как одна решетка изменила квантовую физику

Физикам удалось реализовать эксперимент, который еще недавно считался принципиально недостижимым. Речь идет о создании устойчивых волновых структур материи в строго заданной световой среде. Это достижение открывает новые возможности для управления квантовыми системами. Об этом сообщает журнал Physical Review Letters.

Исключение из правил квантового мира

В квантовой физике атомы ведут себя как волны, которые со временем неизбежно расплываются и теряют исходную форму. Однако существует редкий класс волновых состояний — солитоны, способные сохранять свою структуру благодаря тонкому балансу сил. Такие объекты не рассеиваются и могут существовать длительное время, что делает их особенно ценными для фундаментальных и прикладных исследований в области квантовой механики.

Ранее яркие солитоны материи удавалось получать лишь в свободном пространстве. Попытки стабилизировать их внутри оптических решеток — периодических структур из лазерного света — неизменно заканчивались неудачей. Световая "кристаллическая" среда разрушала такие состояния, не позволяя им сохранять целостность.

Управляемое притяжение атомов

Прорыв стал возможен благодаря точному контролю взаимодействий между атомами. Эксперимент был проведен с облаком атомов цезия, охлажденных почти до абсолютного нуля и переведенных в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. В таком состоянии атомы начинают вести себя как единое квантовое целое.

Атомы поместили в оптическую решетку, сформированную пересекающимися лазерными лучами. Эта структура создает регулярную систему световых ловушек. С помощью магнитных полей ученые смогли настроить притягивающее взаимодействие между атомами с высокой точностью.

Оказалось, что устойчивость солитонов возможна лишь в узком диапазоне параметров: слабое притяжение приводило к распаду, а слишком сильное — к коллапсу всей системы.

"Аккордеонная" решетка и два типа состояний

Для проверки устойчивости полученных состояний физики использовали так называемую аккордеонную оптическую решетку. В ней расстояние между узлами можно плавно изменять, словно растягивая или сжимая структуру.

Постепенно увеличивая шаг решетки, исследователи наблюдали за поведением атомов косвенным способом — анализируя поглощение резонансного лазерного излучения.

Эксперимент показал существование двух типов солитонных состояний. В одном случае атомы концентрировались в одной ячейке решетки. В другом — распределялись по нескольким узлам, но при этом сохраняли себя как единый квантовый объект. Оба варианта демонстрировали высокую устойчивость и существовали до половины секунды, что является очень большим временем по меркам квантовых экспериментов.

Перспективы для квантовых технологий

Авторы работы подчеркивают, что полученные результаты имеют не только фундаментальное значение. Управляемые солитоны материи могут стать основой для более стабильных квантовых сенсоров, а также для новых способов переноса квантовой информации без потери ее свойств, дополняя разработки в области квантовых технологий.

Создание устойчивых солитонов в оптических решетках фактически демонстрирует возможность точного контроля сложных квантовых состояний. Это приближает физиков к практическому использованию подобных структур в будущих квантовых технологиях и углубляет понимание поведения материи на самых фундаментальных уровнях.