Открыто новое свойство бозе-конденсата

В зависимости от ориентации решетки вихрей в бозе-конденсате (черные кружочки) луч света может полностью проходить или же рассеиваться. Изображение с сайта journals.aps.org

К списку удивительных свойств атомного бозе-конденсата — особого квантового состояния материи при сверхнизкой температуре — добавилось еще одно: избирательно пропускать свет. Это свойство предложено использовать для наблюдения вращения конденсата, которое до сих пор изучалось только косвенными методами.

Всем известно, что поведением микрочастиц (атомов и молекул) управляет квантовая механика. В поведении же макроскопических тел квантовые эффекты не видны, потому что всё «забивает» хаотическое тепловое движение этих самых молекул. Однако при низких температурах тепловое движение практически замирает, и тогда удивительные квантовые эффекты удается заметить и среди довольно больших систем. К давно открытым и ставшим уже знаменитыми эффектам сверхпроводимости и сверхтекучести в 1995 году добавилась и бозе-конденсация облака разреженного атомного газа (см. [1]).

По мере совершенствования экспериментальной методики ученые научились получать конденсаты с желаемыми свойствами, например конденсаты с периодической решеткой квантовых вихрей. Такую периодическую структуру можно даже назвать кристаллом вихрей. (Однако какие поразительные системы иногда подкидывает нам Природа! Мы уже привыкли иметь дело с газом фононов в кристалле — когда звуковые волны внутри твердых тел рассматриваются как поток фононов. Здесь же мы сталкиваемся с абсолютно противоположной картиной — кристаллом вихрей внутри газового облака.)

Авторы только что опубликованной работы O. Mustecaplioglu, M. Oktel, Physical Review Letters, 94, 220404 (8 June 2005) заметили, что эта периодичность должна влиять и на распространение света сквозь газовое облако. Проведя расчеты, они обнаружили, что в зависимости от длины волны световой луч может пройти сквозь конденсат, а может и «застрять» в нем, «переизлучившись» во все стороны. Такая периодическая структура, избирательно пропускающая свет, называется фотонным кристаллом.

Как и во всяком кристалле, у бозе-конденсата с вихревой решеткой наблюдается анизотропия — то есть свойства кристалла в разных направлениях различаются. И будет проходить луч света или нет — зависит еще и от того, каким боком в данный момент к нам повернут конденсат (см. рисунок). Таким образом, если облако конденсата равномерно вращается как целое (то есть вместе с решеткой вихрей), то луч света будет то проходить, то рассеиваться на вихревой решетке. Вращающийся конденсат на просвет будет казаться то мутным, то прозрачным.

Авторы подчеркивают, что обнаруженный эффект может существенно упростить эксперименты с вращающимися конденсатами. До сих пор основным приемом, позволявшим измерять свойства конденсата, было его разрушение: экспериментаторы попросту выключали «силовой капкан», удерживавший конденсат, и глядя на то, как разлетаются его «останки», могли судить о структуре цельного конденсата. После такого однократного измерения приходилось вновь ловить, охлаждать и переводить в состояние конденсата миллионы атомов. Неразрушающие методики, вообще говоря, тоже существуют, но измерение скорости вращения производится в них не прямым образом, а вычисляется через геометрическую форму вращающегося облака. Новая же методика позволяет непосредственно увидеть вращение конденсата без его разрушения, что должно положительно сказаться на точности будущих экспериментов.

См. также:
[1] За что же дана Нобелевская премия по физике за 2001 год? — популярная статья из журнала Scientific.ru с дальнейшими ссылками.
[2] Ссылки на страничке Бозе-эйнштейновская конденсация.

Игорь Иванов