Поведение микроскопических квантовых магнитов долгое время было предметом лекций по теоретической физике. Однако исследовать динамику систем, далеких от равновесия, и наблюдать за ними «вживую» до сих пор было сложно. Теперь исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге сделали именно это, используя квантовый газовый микроскоп. С помощью этого инструмента можно манипулировать квантовыми системами, а затем отображать их с таким высоким разрешением, что видны даже отдельные атомы. Результаты экспериментов с линейными цепочками спинов показывают, что способ распространения их ориентации соответствует так называемой супердиффузии Кардара-Паризи-Жанга. Это подтверждает гипотезу, возникшую недавно из теоретических соображений.
Команда физиков во главе с доктором Йоханнесом Цейхером и профессором Иммануэлем Блохом видит объекты, которые другим вряд ли удастся увидеть. Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге используют так называемый квантовый газовый микроскоп для отслеживания процессов в крошечном масштабе квантовой физики. Такой прибор позволяет с помощью атомов и лазеров целенаправленно создавать квантовые системы с заданными свойствами и исследовать их с высоким разрешением. В этих экспериментах исследователи также сосредотачиваются на явлениях переноса — на том, как движутся квантовые объекты при определенных внешних условиях.
Теперь команда сделала удивительное экспериментальное открытие. Исследователям удалось показать, что одномерный перенос спинов — термин «спин» обозначает особое магнитное квантовое свойство атомов и других частиц — в некоторых областях напоминает макроскопические явления. По большей части процессы в квантовой сфере и в повседневном мире существенно различаются. «Но наша работа обнаруживает интересную связь между квантово-механическими спиновыми системами в холодных атомах и классическими системами, такими как рост бактериальных колоний или распространение лесных пожаров», — говорит Йоханнес Цейхер, руководитель группы квантовых систем многих тел в MPQ. «Это открытие совершенно неожиданно и указывает на глубокую связь в области неравновесной физики, которая до сих пор плохо изучена».
Физики называют такую теоретическую аналогию между случайным движением в квантовых и классических системах «универсальностью». В данном конкретном случае это универсальность Кардара-Паризи-Жанга (КПЗ) — явление, ранее известное только из классической физики.
Говорящий показатель
Чтобы наблюдать явление под микроскопом, команда Гархинга сначала охладила облако атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю. Таким образом можно исключить движения из-за тепла. Затем они заперли ультрахолодные атомы в специально сформированном «коробчатом» потенциале, образованном расположением крошечных зеркал. «Мы использовали это для изучения релаксации одной стенки магнитного домена в цепочке из 50 линейно расположенных спинов», — объясняет Дэвид Вей, исследователь из группы Йоханнеса Цейхера. Доменная стенка отделяет друг от друга области с одинаковой ориентацией соседних спинов. Исследователи сначала создали доменную стенку для эксперимента, используя новый прием, благодаря которому «эффективное магнитное поле» создавалось путем проецирования света.
Релаксация в спиновой цепочке происходила после управляемого включения связей между спинами и, как оказалось, происходила по характерной схеме. «Математически это можно описать степенным законом с показателем степени 3/2», — говорит Вэй, намекая на связь с универсальностью КПЗ. Дополнительные доказательства этой связи были предоставлены, когда исследователи обнаружили движение отдельных спинов, которое было обнаружено с помощью квантового газового микроскопа.
«Эта высокая точность послужила основой для подробной статистической оценки», — говорит Цейхер. «Поразительный ход спиновой диффузии, который показал наш эксперимент, по своей математической форме примерно соответствует распространению кофейного пятна, например, по скатерти», — объясняет физик Макс Планк. Группа теоретиков подозревала, что такая поразительная связь может существовать, около двух лет назад на основании теоретических соображений. Однако экспериментального подтверждения этой гипотезы по-прежнему не было.
Старая модель поражает физиков
Для описания квантово-механических спиновых явлений физики долгое время очень успешно использовали так называемую модель Гейзенберга (но лишь недавно в рамках этой модели удалось теоретически описать явления спинового переноса). «Наши результаты показывают, что удивительные новые идеи все еще возможны даже в рамках устоявшейся теоретической основы», — подчеркивает Йоханнес Цейхер. «И они являются доказательством того, как теория и эксперимент взаимно оплодотворяются в физике».
Результаты, достигнутые командой в Гархинге, имеют не только академическое значение. Они также могут быть полезны для реальных технических приложений. Например, спины также составляют основу некоторых видов квантовых компьютеров. Знание транспортных свойств носителей информации может иметь решающее значение для практической реализации таких новых компьютерных архитектур.
