Коллективное поведение частиц

Эффективные теории в физике формулируются лучше с помощью наблюдения за микроскопическими деталями. Чашку с водой можно описать такими свойствами, как давление, температура и плотность жидкости, тогда как положение и скорость отдельных молекул воды не имеют значения. Фазовый переход описывает изменение макроскопической системы из одного состояния вещества, например жидкости, в другое состояние вещества, например газообразное. Свойства макроскопических систем, так называемых систем многих тел можно охарактеризовать, как возникающие в результате взаимодействия отдельных компонентов, которые сами по себе не обладают этими свойствами.

«Интересно, как это резкое макроскопическое изменение при фазовом переходе возникает из микроскопического описания», — утверждает Селим Йочим. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи разработали эксперимент в котором они собрали систему из отдельных ультрахолодных атомов. Используя этот квантовый симулятор, они открыли, как коллективное поведение возникает в микроскопической системе. С этой целью они захватили до двенадцати атомов сильно сфокусированным лазерным лучом. В этой искусственной системе можно непрерывно настраивать силу взаимодействия между атомами от отсутствия взаимодействия до наибольшего энергетического масштаба в системе. «С одной стороны, количество частиц в системе достаточно мало, чтобы описать систему микроскопически. С другой стороны, коллективные эффекты уже очевидны», — объясняет Лука Байха, ученый команды профессора Йочима.

В своем эксперименте физики из Гейдельберга сконфигурировали квантовый симулятор так, что атомы притягиваются друг к другу и, если притяжение достаточно сильное, образуют пары. Эти пары атомов являются необходимым ингредиентом для фазового перехода в сверхтекучее состояние — состояние, в котором частицы текут без трения. Текущие эксперименты были сосредоточены на том, когда возникает образование пар, и в зависимости от силы взаимодействия или числа частиц?

«Удивительным результатом нашего эксперимента является то, что только шесть атомов демонстрируют все признаки фазового перехода, ожидаемые для системы из многих частиц», — добавляет Марвин Холтен, докторант в группе профессора Йочима.