Грецькі фізики побудували перший прискорювач для отримання надзвукового бозе-конденсату, в якому час життя конденсату збігається з вільною ситуацією. Атомна хмара в такому прискорювачі рухається з рекордною швидкістю близько 16 махів (три сантиметри на секунду) і перед розпадом встигає пройти близько 15 сантиметрів. Стаття опублікована в.
Сучасним фізикам доводиться вимірювати дуже тонкі ефекти - наприклад, щоб зареєструвати гравітаційні хвилі, потрібно відчути зміщення дзеркала на відстань близько 10 − 16 метра. Це в мільярд разів менше довжини хвилі видимого світла і приблизно в десять разів менше радіусу протона. Одні з найточніших експериментів, чутливих до подібних ефектів - це експерименти з інтерференції ультрахолодних атомних хмар (бозе-конденсатів), які вільно падають в поле сили тяжкості. Зокрема, за допомогою подібних установок вчені провели найточніші вимірювання інерції, обертання та гравітаційної постійної.
Щоб ще сильніше зменшити похибку експерименту з ультрахолодними атомами, потрібно збільшити час вільного падіння, протягом якого атоми залишаються когерентними. Один спосіб збільшити цей час - якомога вище підняти «коробку» з бозе-конденсатом. У реальних експериментах вчені скидають установки з висоти в кілька десятків метрів, що відповідає часу падіння близько декількох секунд (рекордна висота становить приблизно сто метрів, а час падіння - трохи менше п'яти секунд). Проводити такі експерименти дорого і незручно. Другий спосіб - отримати бозе-конденсат у невагомості, наприклад, на борту метеорологічної ракети. На жаль, такий спосіб ще дорожчий, ніж спосіб зі скиданням коробки. Більш того, отримати перший бозе-конденсат в невагомості вченим вдалося тільки в жовтні минулого року.
Нарешті, ще один спосіб - компенсувати силу тяжкості, утримуючи атоми за допомогою зовнішнього потенціалу. Раніше фізики вже створювали подібні установки - наприклад, змушували атоми рухатися в магнітній або оптичній дипольній пастці. Тим не менш, у всіх таких пастках стабілізація потенціалу, що компенсує силу гравітації, досягалася за рахунок надплинності конденсату. Грубо кажучи, в надплинному режимі атоми не помічають неоднорідності потенціалу, оскільки «обтікають» їх без втрати енергії. Для цього конденсат повинен рухатися значно повільніше критичної швидкості, при якій надплинність руйнується. Тому атоми в таких пастках рухалися зі швидкістю близько 0,1 міліметра в секунду. У той же час деякі експерименти - наприклад, гравітаційні інтерферометри - змушені працювати з набагато більш швидкими і розрідженими конденсатами, тому для них такі пастки не підходять.
Група дослідників під керівництвом Вольфа фон Клітцинга (Wolf von Klitzing) вирішила цю проблему і побудувала мініатюрний прискорювач для бозе-конденсату, який розганяв його атоми до надзвукової швидкості близько 16 махів (близько трьох сантиметрів на секунду). Протягом п'яти секунд конденсат, який рухався в прискорювачі, практично не відрізнявся від конденсату - іншими словами, він не нагрівався, а час його декогеренції не зменшувався. За цей час атоми встигали пройти відстань близько 15 сантиметрів. Це рекордне значення для подібних установок.
Щоб домогтися таких високих результатів, вчені замінили дипольну пастку на більш хитрий магнітний адіабатичний потенціал, усереднений за часом (magnetic time-averaged adiabatic potential, TAAP). Такий потенціал створює відразу три змінних магнітних поля, що працюють на різній частоті. Основну форму «хвилевода», по якому рухаються частинки, формує просте квадрупольне магнітне поле, а радіочастотне (частота 2,55 мегагерц) і аудіочастотне (частота 5,02 кілогерц) поле його стабілізують. В результаті перепад глибини утримуючого потенціалу не перевищував двох нанометрів протягом всієї довжини отриманої кільцевої пастки (радіусом близько 0,44 міліметра). Дрібніші неоднорідності вчені виміряти безпосередньо не могли.
Потім фізики завантажували в пастку атоми бозе-конденсату і прискорювали їх за допомогою схеми "піф-паф" ("bang-bang" "scheme), яка виключає збудження коливань центр мас конденсату. Для цього вчені різко зрушували пастку, одночасно включаючи слабке горизонтальне магнітне поле, яке рівномірно прискорювало атоми. Як тільки атоми розганялися до потрібної швидкості, дослідники різко вимикали прискорення, повертали пастку у вихідне положення і коригували потенціал з урахуванням зміщення атомів. В результаті атомна хмара виявлялася на дні утримуючого потенціалу і продовжувала рухатися по ньому з постійною швидкістю. Максимальний кутовий момент, до якого вченим вдавалося розігнати атоми, становив приблизно 44600ħ, де ħ - наведена постійна Планка. Це відповідає кутовій швидкості близько 125 радіан на секунду.
За допомогою побудованої установки фізики розігнали бозе-конденсат з трьохсот тисяч атомів рубідію-87, охолоджений до температури 32 нанокельвіна, і простежили за його рухом протягом 14 секунд. Виявилося, що час життя теплової хмари 3,3 секунди (час, протягом якого число атомів конденсату знижується в e раз) і повного розпаду бозе-конденсату b 5,3 секунди збігається з показниками вільного конденсату. Швидкість нагріву конденсату (три нанокельвіни в секунду) теж збігається для рухомого і випадкового. Автори статті підкреслюють, що ці результати досягалися при швидкості атомів близько 16 махів, при якій будь-яка неоднорідність утримуючого потенціалу швидко збуджує поперечні коливання хмари і руйнує його когерентність.
За словами вчених, їх розробка стане в нагоді для досліджень одномірної фізики з низькоенергетичними збудженнями. Простіше кажучи, за допомогою побудованого прискорювача фізики зможуть більш докладно досліджувати збудження рівнів Ландау в квантовому ефекті Холла, вивчити надзвукові процеси перенесення і поставити високоточні експерименти по зіткненню частинок.
Раніше ми вже писали про можливі застосування бозе-конденсату в точних гравітаційних експериментах. Наприклад, у листопаді 2016 року фізики з Німеччини, США і Канади побудували портативний гравіметр, в якому напруженість гравітаційного поля вимірювалася за допомогою інтерференції атомів бозе-конденсату, що вільно падають у полі сили тяжкості. Побудований прилад можна було заховати в коробці від взуття, хоча його точність була всього в 10 разів менше, ніж у масивних і малорухливих аналогів. А в квітні цього року китайські фізики опублікували план гравітаційного інтерферометра ZAIGA, в якому замість лазерів використовуються атоми бозе-конденсатів. Якщо дослідникам вдасться отримати фінансування, то інтерферометр може почати роботу вже в 2025 році.
Цікаво, що рівно 24 роки тому - п'ятого червня 1995 року - група фізиків під керівництвом Еріка Корнелла і Карла Вімана вперше отримала бозе-конденсат в лабораторії. Для цього вчені охолодили близько двох тисяч атомів рубідію-87 до температури 170 нанокельвін. Через чотири роки вчені отримали за це досягнення Нобелівську премію з фізики.