За последнее время был достигнут прогресс в задаче управления ультрахолодными состояниями нашей материи. Мы достаточно глубоко проникли в понимание того, какие законы управляют нашим миром на уровне элементарных квантовых объектов и на уровне некоторых интересных и нетривиальных фаз, которые образует наша материя при достаточно низких температурах. Это породило целую сферу, которая называется физика ультрахолодных атомных газов. И она интересна тем, что в ней можно получить состояния вещества, состояния материи, которые не имеют классических аналогов, которые обладают некоторыми контринтуитивными с точки зрения классического мира свойствами.

Вообще говоря, этот прогресс очень тесно связан с экспериментом. Следует отметить, что любой теоретический прогресс в этой области очень сильно стимулировался экспериментальным прогрессом. Было приложено огромное количество усилий к тому, чтобы получить так называемое состояние бозе-эйнштейновского конденсата ― это состояние, в котором макроскопическое число частиц (то есть много-много частиц) находится на самом деле в одном квантовом состоянии. Это достаточно нетривиальная фаза вещества. За это была получена Нобелевская премия. Сам бозе-эйнштейновский конденсат был независимо обнаружен несколькими группами в 1995 году. Нобелевскую премию за это получили Вольфганг Кеттерле, Эрик Корнелл и Карл Виман. И этот эксперимент породил бурный теоретический интерес к тому, что с этими ультрахолодными атомами можно делать.

Можно выделить несколько направлений, в которых теория работала. Во-первых, это просто поиски новых, интересных, нестандартных, нетрадиционных фаз материи, которые стали возможны благодаря тому, что мы, например, можем получать фазу бозе-эйнштейновского конденсата, каким-то образом ею манипулировать, создавать что-то более сложное.

Другой вопрос ― это прикладное использование полученных знаний. Например, было достаточно быстро понято, что при помощи ультрахолодных атомных газов можно строить так называемые квантовые симуляторы, позволяющие исследовать свойства тех веществ, которыми управлять в эксперименте трудно. Это направление получило название квантовых симуляторов. Кроме того, ультрахолодные атомные газы выглядят достаточно перспективными с точки зрения того, чтобы использоваться как часть элементов, блоков будущих квантовых компьютеров, квантовых вычислителей. Например, при помощи ультрахолодных атомов можно строить квантовую память достаточно эффективным образом. Можно проводить вычисления. Можно проводить, как я уже говорил, какие-то процедуры, связанные с симуляцией других квантовых систем.

Достаточно быстро стало очевидно, когда теоретики условно набросились на решение задач, связанных с ультрахолодными атомными газами, что взаимодействие между частицами драматически влияет на квантовые режимы. Самые базовые, пионерские работы были выполнены для случая, когда в основном взаимодействие между частицами просто носит контактный характер столкновения. Тем не менее для того, чтобы разнообразить эту физику, теоретические группы быстро сфокусировались на том, что называется дальнодействующим взаимодействием ― это взаимодействие между частицами, которые пространственно удалены друг от друга. Примером такого взаимодействия является диполь-дипольное взаимодействие. И кроме того, что оно является дальнодействующим, оно также анизотропное. И этот анизотропный и дальнодействующий характер взаимодействия между частицами дал возможность искать все новые и новые интересные фазы материи и решать какие-то проблемы физики конденсированных состояний, которые задолго до этого были известны, и вдруг мы получили достаточно хорошо управляемый инструмент для их изучения. Ультрахолодные газы можно получать и при помощи этого инструмента находить новые ответы на очень интересные и долго стоящие вопросы.

Физика ультрахолодных дипольных систем получила новую жизнь благодаря последним экспериментам по получению состояния бозе-эйнштейновской конденсации в таких системах при помощи как ультрахолодных атомов, так и охлаждения до очень низкой температуры полярных молекул. Полярные молекулы тоже взаимодействуют друг с другом при помощи диполь-дипольного взаимодействия, но это взаимодействие обычно значительно больше, чем диполь-дипольное взаимодействие между атомами. И, помимо возможности исследовать такие системы, появилась еще и возможность что-то проверять экспериментально.

Долго стоящей проблемой является получение фазы, которая называется фаза суперсолида. Само слово supersolid немного контринтуитивное, и, если его напрямую переводить, получится «супертвердый». Однако на самом деле слово supersolid получилось от соединения слов superfluid («сверхтекучий») и solid («твердый»). И это породило довольно много странных ситуаций. Например, известно, что какое-то ведомство выделяло деньги на исследования суперсолида, потому что предполагало, что при помощи исследований в области суперсолида может быть создана, например, суперпрочная броня для танка.

Рекомендуем по этой теме:
4570
Квантовые симуляторы

На самом деле речь идет об исследовании очень нетривиального состояния ультрахолодной материи, в котором сверхтекучие свойства ― свойства транспорта без диссипации, свойство условно «течь без трения» ― связаны с некоторыми свойствами твердого тела, а именно с некоторой периодичностью. То есть условно речь идет о получении фазы, в которой есть кристаллический порядок, характерный для твердого тела, и есть сверхтекучесть, характерная для жидкости. Получается некоторая комбинация двух фаз материи, которые мы предполагали разными. Школьная физика говорит, что есть разные агрегатные состояния: есть твердое тело, а есть жидкое. А тут получается система, в которой одновременно проявляются и те и другие свойства. Очень нестандартная фаза материи.

Долгое время предполагалось, что состояние суперсолида может быть обнаружено в жидком гелии. И было много теоретических предложений, одно из которых высказывал Лев Питаевский. Был даже проведен ряд других экспериментов с жидким гелием, в которых сначала была декларирована возможность получения сверхтекучего состояния. Потом эти эксперименты были подвергнуты критике, и современная точка зрения на этот счет такова, что в тех экспериментах на самом деле фаза суперсолида не была достигнута.

Но в жидком гелии есть так называемый ротон-максонный характер спектра элементарных энергетических возбуждений ― характер зависимости энергии от импульса. И он носит очень специальный характер. Он сначала растет, потом у него возникает максимум, который называется максоном, затем у него идет минимум, который называется ротоном, и дальше снова растет. Оказывается, что в ультрахолодных дипольных системах тоже есть ротон-максонный характер возбуждений, а этот ротон-максонный характер ― наличие максимума в спектре и минимума ― может быть ответственным за феномен сверхтекучести.

Если говорить, совсем упрощая, то состояние суперсолида в принципе может быть достигнуто, если ротон ― возбуждение, соответствующее локальному минимуму, ― коснется нуля. Однако обычно в ситуации общего положения, когда это случается, ультрахолодный дипольный газ коллапсирует до момента входа в состояние суперсолида. Что еще замечательно в физике ультрахолодных газов ― это возможность контролировать огромное число параметров. Например, когда я говорю о ротон-максонном характере спектра возбуждений в ультрахолодной дипольной системе, я подразумеваю, что она двумерная. И в физике ультрахолодных атомных газов можно создавать трехмерные системы, можно создавать двухмерные системы, можно создавать одномерные системы, можно контролировать силу и характер взаимодействия между ними.

И оказывается, что, изменяя систему несильно значительным образом (например, добавляя в нее еще одно взаимодействие, которое соответствовало бы так называемому трехчастичному отталкиванию в специальном типе геометрии), можно стабилизировать систему и попытаться получить в ней суперсолид. И можно, например, манипулировать с этим взаимодействием. Из-за того, что диполь-дипольное взаимодействие анизотропное, мы можем рассматривать системы, в которых диполи наклонены относительно друг друга. Это все меняет характер взаимодействия, а характер взаимодействия, в свою очередь, очень сильно влияет на ту фазу, которая обнаруживается. Сейчас есть надежда, что будет предложен ряд реалистичных систем, в которых суперсолид может быть обнаружен экспериментально.