Не как яйца в коробке

Масштабный проект, в рамках которого выполнена работа, опубликованная в Nature Physics, инициирован оборонным научным ведомством США, однако состав исполнителей международный. Все наши соавторы – ученые из Европы. Современная наука интернациональна, она давно уже не концентрируется в пределах одной страны.

Есть такое явление – Бозе-Эйнштейновская конденсация, когда атомы ведут себя не как частицы, а как классические волны, или поля, аналогично излучению лазера. Объяснить эти явления с позиции классической механики точечных частиц невозможно, только квантовая механика позволяет проследить удивительное превращение атомов в волны.

Пионерская работа по этой тематике была сделана Эйнштейном еще в 1924–25 годах, до создания современной квантовой механики. Однако эта его теоретическая идея оставалась невостребованной (и практически забытой) до экспериментального обнаружения сверхтекучести гелия в 1938 году. Вслед за этим открытием были хорошо разработаны теоретические модели явления в разреженных разах, однако на практике их не удавалось реализовать. До 1995 года самым близким для (в основном, косвенного) изучения Бозе-Эйнштейновской конденсации оставался гелий – самая «квантовая» из жидкостей, проявляющая свойство сверхтекучести. Идеи экспериментальной реализации Бозе-Эйнштейновской конденсации в газе атомарного водорода (то есть состоящего из атомов Н, а не молекул Н₂) развивались в Курчатовском институте группой академика Юрия Кагана в сотрудничестве с Георгием Шляпниковым.

Во времена СССР эти исследования представляли собой передний край мировой науки в этой области.

Уже в постсоветские времена (1995 год) прорыв в технологии лазерного и испарительного охлаждения привел к возможности достичь условий Бозе-Эйнштейновской конденсации в в газах щелочных металлов. Физикам наконец удалось создать рукотворную разрeженную систему! Эти работы были отмечены Нобелевской премией в 2001 году (Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле, Карл Виман).

Однако это был лишь первый этап работы. Если взять такой конденсат (классическое поле из атомов) и поместить его в так называемую оптическую решетку, которая представляет собой набор потенциальных ям (атомы лежат в них примерно так, как яйца лежат в лунках специальной картонной коробки), то получается уже совсем другая, уникально богатая по свойствам система – идеализированная модель твердого тела.

Атомы в решетке могут моделировать, например, электроны в металле, а при определенных условиях – и состояние материи в нейтронной звезде.

Первый эксперимент по оптическим решеткам был проведен в 2002 году. Самое замечательное здесь, что все параметры системы, такие как период решетки, сила и тип взаимодействия, кинетическая энергия атомов и т. д., можно контролировать и задавать с высокой точностью и в широких пределах.

По существу, появилась возможность «собирать» интересные квантовые модели вещества «по заказу».

Такие опытные системы, «эмуляторы», открывают широкие возможности экспериментальной реализации теоретических моделей, с помощью которых можно объяснить сложные явления. Дело в том, что хорошо описать в статике и динамике мы можем только слабо связанные системы (газы, например), а в системах с сильными взаимодействиями мы часто не только не можем моделировать динамику, но даже описать основное состояние. Цель теоретического моделирования – предсказывать состояние квантового вещества, но она зачастую недостижима, так как иногда даже простейшие квантовые модели нельзя решить существующими средствами. Для таких систем оптические эмуляторы бесценны.

Если же сделать эмулятор теоретической модели и показать его применимость для исследования определенного явления (сверхтекучести, фазового перехода), то можно будет измерить ее свойства, которые не получается рассчитать теоретически.

На первом этапе оптические эмуляторы создаются и тестируются для так называемых бозонных атомов на примере перехода из сверхтекучего состояния в состояние изолятора по мере увеличения силы оптического потенциала. Так как атомы являются квантовыми волнами, при определенных условиях они уже не ведут себя как частицы («яйца в картонке»), а могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры. В слабом потенциале атомы делокализуются, образуется классическое поле и наблюдается состояние сверхтекучести. В сильном потенциале туннелирование ослабевает и атомы становятся «разборчивыми»: из-за отталкивающего взаимодействия они распределяются так, чтобы иметь строго по одному атому в «потенциальной яме» (приблизительно как яйца в картонке, с точностью до редких туннельных событий; если бы одно из «яиц» туннелировало бы в соседнюю лунку, оно встретило бы там своего тождественного собрата, и одно из двух яиц возвращалось бы обратно в пустую лунку по принципу «двум медведям тесно жить в одной берлоге»). Это состояние изолятора, и наша задача – изучить фазовый переход в такой системе: из сверхтекучего (как электроны в сверхпроводящем металле) в состояние изолятора, диэлектрика. Для системы бозонов развили первопринципные методы, которые позволяют нам полностью просчитать свойства бозонного эмулятора на уровне нескольких миллионов частиц.

Нас подключили к проекту как людей, которые должны сделать проверку того, насколько точно работает экспериментальная реализация одной из бозонных моделей – так называемой бозонной модели Хаббарда.

Работа устроена так: экспериментаторы собирают эмулятор, делают наблюдения и получают некие «красивые картинки» (интерференционные картины разлетающегося после выключения оптической решетки квантового поля). Мы эти наблюдения предсказываем из своих первопринципных расчетов и сравниваем картинки. Если мы видим одно и то же, то цель достигнута, эмулятор заработал. Это возможно лишь для систем бозонов. Но это большой успех, первый успех, потому что, создав работающий эмулятор для известной системы и показав обоснованность его применения, мы можем перейти к созданию на аналогичных принципах эмулятора для новой, более интересной системы фермионов, о которой нам мало что известно и мы не можем ее рассчитать существующими методами.

Изучение системы фермионов поможет нам объяснить феномен высокотемпературной сверхпроводимости, пока до конца не понятый.

Работа идет, экспериментаторы уже получили и охладили до состояния сверхтекучести первые фермионные системы. Мы, со своей стороны, ведем наши теоретические разработки.

В данном случае смоделировать реальный материал (высокотемпературный сверхпроводник) нельзя. Задача в том, чтобы разработать упрощенную модель, сохраняющую основные эффективные черты и описать наблюдаемую систему (например, купраты), максимально упростив ее и оставив только особенности, непосредственно отвечающие за изучаемое явление – в данном случае, высокотемпературную сверхпроводимость. На сегодня такой моделью считается модель Хаббарда, но никто до конца не знает ее свойств.

Публикация – итог первой двухлетней фазы работы. Всего проект рассчитан на пять лет, сейчас идет вторая фаза – три года, из которых один уже прошел.

Мы участвуем в проекте как американские ученые: уже около 10 лет мы живем и работаем в США. К сожалению, научных связей с Россией, с нашим родным Курчатовским институтом у нас сейчас практически нет. Два последних российских студента у нас были в 2003–2008 годах, мы с ними до сих пор поддерживаем научные отношения; они работают за границей.

В последнее десятилетие российские ученые, бывшие в числе пионеров теоретических разработок в области Бозе-Эйнштейновской конденсации, уже не ведут такой активной деятельности.

Интерес к тематике остался, в частности, в группе академика Кагана, но отсутствие адекватной финансовой поддержки не позволяет российским ученым конкурировать на мировом уровне.

Подготовила Александра Борисова