Физики завязали солитоны в квантовые узлы Версия для слабовидящих
Физики завязали солитоны в квантовые узлы Печать Email
Новости об инновациях
26.01.2016

Физики из университета Аалто, Финляндия, и Амхертского колледжа, США, создали узловые солитонные волны в квантовом поле сверхтекучего газа, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — это агрегатное состояния вещества, наряду с известными твердым, жидким и газообразным состояниями. Чтобы получить конденсат, нужно охладить материю, состоящую из бозонов, до сверхнизких температур. Из школьного курса физики известно, что два и более электрона (которые относятся к фермионам) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозоны — частицы с противоположным свойством. Может существовать сколько угодно бозонов, обладающих одинаковым квантовым состоянием.

Топологическая структура квантово-механического узлового солитона. Иллюстрация: D.S.Hall et all., Nature Physics, 2016

При охлаждении бозонов до абсолютного нуля их энергия достигает минимума, в результате чего все бозоны переходят в основное энергетическое состояние. В квантовой механике действует принцип неопределенности, вызывающий флуктуации частицы с нулевой энергией. Из-за таких эффектов, например, гелий-4 (атомы гелия являются бозонами) при нормальном давлении всегда находится в жидком состоянии и при абсолютном нуле представляет собой квантовую жидкость, которая может течь без трения и обладает нулевой вязкостью. Кроме того, в ней возникают топологические образования, вроде квантовых вихрей. Это один из примеров проявления квантовых эффектов на макроскопическом уровне.

Ранее ученые смогли наблюдать в конденсате Бозе-Эйнштейна формирование экзотических структур, таких как скирмионы — кольцевые и вихреобразные магнитные образования, а также солитоны — устойчивые уединенные волны. На основании решения уравнения Максвелла физики предполагали возможность существования в квантовом поле конденсата узлового солитона, который представляет собой бесчисленное множество колец, каждое из которых соединено с другим, образуя тороидальную структуру.

Ни один из узлов этой структуры нельзя развязать без разрушения всей формы. Это примерно так же, как нельзя непрерывно деформировать тор в безупречный шар — сквозная дырка останется, несмотря на все ухищрения. Ядро солитона представляет собой плотное кольцо бозонов, окруженное тороидальной трубкой. В целом вся структура может рассматриваться как способ отображения сферы с трехмерной поверхностью с помощью окружностей и обычной сферы — расслоение Хопфа.

Для создания конденсата ученые в качестве бозонов использовали атомы рубидия-87. С помощью неоднородного электромагнитного поля, приложенного к конденсату особым образом, исследователи воздействовали на магнитный момент бозонов в каждой точке поля, задав им определенное направление. Нулевая точка магнитного поля сперва находилась в 35 микрометрах от центра конденсата, а ее сдвиг к центру привел к тому, что бозоны в тысячные доли секунды образовали области с узловым солитонами внутри, которые соответствовали решению уравнений Максвелла. Физики получили изображения полученных структур, а затем визуально сравнили их с теоретическими результатами компьютерного моделирования эксперимента, доказав, что образовавшиеся формы были именно узловыми солитонами и ничем другим.

Экспериментальное создание узловых солитонов в квантовых полях дает физикам возможность дальнейшего изучения динамики, стабильности и взаимодействия этих структур, что, в свою очередь, позволит ученым больше узнать о поведении квантовых систем и их природе.

Автор: Александр Еникеев

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2016/fiziki-zavyazali-solitony-v-kvantovye-uzly

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта