🔬 Макроскопические свойства объектов, которые нас окружают, зависят от поведения их микроскопических составляющих. Например, движение атомов определяет давление газа в шинах 🚗 или то, как утренний кофе 🫖 наливается в чашку. Но не менее важны квантовые корреляции — то, как частицы «танцуют» вместе! 💫 Ранее этот «танец» наблюдали лишь в системах с жёсткими ограничениями, где частицы двигались между фиксированными позициями [1]. Теперь три группы учёных — из Парижской Высшей нормальной школы и MIT — впервые запечатлели позиции отдельных атомов в холодном однородном газе, раскрыв их квантовые корреляции [2–4].
⚛️ Квантовая природа частиц приводит к удивительным эффектам даже при отсутствии взаимодействий между ними! 🤯 Из-за неразличимости частиц вероятность обнаружить одну из них в определённой точке не зависит от того, какую именно частицу мы наблюдаем. Это порождает два класса:
- Бозоны (как фотоны) — могут меняться местами без изменения квантового состояния, стремясь «собипаться» вместе;
- Фермионы (как электроны) — при обмене меняют знак состояния, избегая близости друг к другу.
🌟 Понимание этих различий изменило наше представление о Вселенной! Например, корреляции бозонов в свете далёких звёзд помогают измерить их размеры [5]. А фермионная природа электронов лежит в основе полупроводниковой революции 💡 и даже стабильности вещества [6].
📈 Но когда частицы взаимодействуют (например, через кулоновские силы), описание системы становится невероятно сложным. Проблема масштаба: сложность растёт экспоненциально с числом частиц — для 10²³ атомов в обычном материале это нерешаемо!
🧪 Решение предложил ещё Фейнман 40 лет назад: использовать квантовые симуляторы [7]. Сегодня холодные атомные газы 🥶 — идеальная платформа для этого благодаря точному контролю и детекции [8]. Однако до недавнего времени учёные могли изучать только системы с дискретным движением частиц, что не отражает реальные макроскопические процессы.
🎯 Группы Тарика Ефсаха [2], Мартина Цвирлайна [3] и Вольфганга Кеттерле [4] совершили прорыв! Они зафиксировали атомы в однородном газе, где частицы свободно движутся (Рис. 1). Для этого пришлось:
1. Охладить газ до сверхнизких температур ❄️, чтобы расстояние между атомами превышало шаг «фиксирующей» оптической решётки;
2. Включить решётку с идеальной скоростью, чтобы не нарушить исходное состояние системы.
🕳️ В экспериментах с 2D-газами:
- Ефсах и коллеги [2] обнаружили ферми-дыру — провал в корреляциях невзаимодействующих фермионов;
- Цвирлайн [3] наблюдал формирование фермионных пар (аналогов куперовских в сверхпроводниках) при сильном притяжении;
- Группа Кеттерле [4] показала, как повышение температуры подавляет квантовое «сгущение» бозонов.
🔮 Это только начало! Метод позволяет изучать:
- Корреляции near квантовых фазовых переходов;
- Переход от 2D к 3D системам [9];
- Самый интригующий вопрос: сколько частиц нужно, чтобы воспроизвести макроскопическое поведение? [10]
Эти работы открывают новую эру в исследовании квантового микромира — шаг к пониманию сложнейших систем, от сверхпроводников до нейтронных звёзд! 🚀