Микроскопические и макроскопические системы
С увеличением числа частиц в физической системе её свойства могут меняться, и могут происходить различные фазовые переходы (то есть переходы в разные фазы материи). Микроскопические системы (то есть содержащие лишь несколько частиц) и макроскопические (содержащие много частиц) обычно сильно отличаются, даже если типы частиц, из которых они состоят, одинаковы.
Мезоскопические системы
Мезоскопические системы находятся между микроскопическими и макроскопическими, поскольку они достаточно малы, чтобы флуктуации отдельных частиц влияли на их динамику, и в то же время достаточно велики, чтобы поддерживать коллективную динамику частиц. Изучение этих физических систем среднего размера может дать интересное представление о том, как флуктуации отдельных частиц могут приводить к коллективному поведению частиц, наблюдаемому по мере роста системы.
Новый подход к изучению мезоскопической физики
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Колумбийского университета недавно представили новый подход к точному воспроизведению физических систем, которые идеально подходят для изучения мезоскопической физики и основ фазовых переходов. Их подход, описанный в статье, опубликованной в Nature Physics, основан на использовании массивов атомных пинцетов для контроля количества атомов в системе и их взаимодействия со светом.
«Моя исследовательская группа уже много лет занимается экспериментами, в которых ультрахолодные газы атомов помещаются в оптические резонаторы, что позволяет нам исследовать широкий спектр квантово-механических явлений, возникающих из-за сильного взаимодействия между атомами и светом», — сказал Дэн М. Стэмпэр-Кёрн, старший автор статьи.
«Эта работа продвинулась технически за несколько поколений экспериментов: первая установка, где мы могли поместить большой газ, содержащий сотни тысяч атомов, в оптическую полость, но с небольшим контролем над расположением атомов; вторая установка, где мы могли поместить меньшие ансамбли тысяч атомов, но могли точно контролировать их расположение; и теперь эксперимент третьего поколения, где мы адаптируем новый и быстро развивающийся метод массивов атомных пинцетов для размещения мезоскопических образцов (от 1 до 20 атомов) в точных местах внутри полости».
Оптические резонаторные системы
Эти оптические резонаторные системы, состоящие из двух высокоотражающих зеркал, обращённых друг к другу, могут быть использованы для изучения широкого спектра физических процессов. К ним относятся взаимодействие атомов со светом, коллективное рассеяние света, сбор промежуточных измерений в квантовых компьютерах, исследование квантовых пределов в приложениях для зондирования и многое другое.
«Наиболее творческий вклад моей группы, пожалуй, заключается в создании оптико-механических систем с использованием ультрахолодных атомов и оптических полостей с высокой добротностью», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Тема оптико-механики знакомит нас с людьми, использующими LIGO для гравитационно-волновой астрономии, людьми, использующими акустику для квантовой обработки информации, людьми, разрабатывающими всевозможные датчики, в том числе те, которые ищут квантовые эффекты гравитации, и так далее».
Цели эксперимента
Эксперимент команды преследовал две ключевые цели: первая — ответить на научный вопрос, а вторая — открыть новые возможности для исследований. Научный вопрос, на который они ответили: как фазовые переходы и нарушение симметрии изменяются при переходе от макроскопической системы, которая обычно представляет резкие фазовые переходы, к мезоскопической системе, в которой фазовые переходы размываются более постепенно?
«Наш эксперимент подчёркивает, что для любой системы, большой или маленькой, вопрос о том, происходит ли фазовый переход, на самом деле должен задаваться в контексте временного масштаба», — пояснил Стэмпэр-Кёрн. «Вопрос заключается в следующем: за период времени система претерпевает фазовый переход к постоянной фазе нарушения симметрии?»
«Для макроскопических систем ответ — «да» в течение чрезвычайно больших временных масштабов, но даже для макроскопической системы всё ещё существует очень длинный временной масштаб, в течение которого система не будет сохраняться в фазе нарушения симметрии. Для мезоскопических систем временной масштаб, который разделяет ответы «да» и «нет» на вопрос выше, намного короче, экспериментально доступен и является интересной величиной для измерения».
Исследователи пытались ответить на этот вопрос, связанный со временными масштабами, собирая временно-разрешённые измерения, показывающие динамику системы, которая претерпела бы нарушение симметрии в макроскопическом масштабе. Второй целью их исследования была подготовка почвы для реализации более программируемого квантового симулятора динамики нарушения симметрии в открытых квантовых системах.
«Текущее исследование подчёркивает некоторую программируемость: мы можем изменять количество атомов в системе, силу их связи с полостью и степень, в которой начальное состояние нарушает симметрию путём построения», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Однако мы сейчас рассматриваем более богатый набор управляющих параметров, где мы изменяем силу и фазу связи атомов с полостью или накладываем несколько различных моделей связи одновременно или последовательно. Мы теоретически понимаем, что такой контроль может создавать системы с гораздо более богатой динамикой и фазовыми диаграммами, включая системы, которые эффективно выполняют численную оптимизацию».
Методы и результаты
В своих экспериментах Стэмпэр-Кёрн и его коллеги использовали новую и быстро развивающуюся технику. Они сначала захватили атомы в нескольких индивидуально управляемых оптических ловушках-пинцетах, а затем осветили их почти резонансным светом.
«Этот свет делает три вещи: он охлаждает атомы, так что они глубоко захватываются в пинцетах; он выбрасывает атомы из пинцетов парами, оставляя либо ноль, либо один атом в пинцете; и он генерирует флуоресценцию, которую мы визуализируем, чтобы определить, в каких пинцетах есть атом, а в каких — нет», — объяснил Стэмпэр-Кёрн. «Как только мы получим эту информацию, мы отключим некоторые пинцеты, чтобы у нас осталось фиксированное количество атомов, и мы сместим оставшиеся пинцеты так, чтобы атомы были размещены в точных местах в оптической полости».
После того как они расположили атомы там, где хотели, исследователи непосредственно осветили массив атомов светом, который входит перпендикулярно оптической полости. Чтобы изучить взаимодействие между атомами и светом, они собрали свет, излучаемый из полости, и измерили его электрическое поле с помощью устройства, известного как оптический гетеродинный детектор.
«Свет внутри нашей полости образует стоячую волну, и, таким образом, поле в полости имеет синусоидальный профиль с узлами, чередующимися между положительным и отрицательным знаком. Атомы, помещённые точно в узлы поля в полости, не должны рассеивать свет в полость», — сказала Жаклин Хо, ведущий автор статьи. «Однако квантовые и тепловые флуктуации вызывают смещения в положениях атомов и приводят к рассеянию света в полость. Как только сила освещающего света превышает критический порог, свет, накапливающийся внутри полости, оказывает достаточно силы, чтобы преодолеть притяжение ловушек оптического пинцета».
«Это заставляет атомы двигаться от узлов полости к антиузлам, где они затем рассеивают ещё больше света в полость. Этот рассеянный свет воздействует на все атомы и притягивает их дальше к антиузлам, что приводит к эффекту лавины, в котором атомы коллективно самоорганизуются».
Команда наблюдала, что самоорганизация их системы атом-света нарушает симметрию, поскольку атомы спонтанно перемещаются либо к положительно, либо к отрицательно подписанным антиузлам поля в полости. Положение атомов определяет знак и величину поля в полости, что в конечном итоге позволяет детектору команды фиксировать то, что происходит внутри полости.
«С помощью этой системы мы измерили несколько интересных вещей», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Мы могли обнаружить, когда выходной сигнал из полости раздваивается на сильное поле с положительным или отрицательным знаком. Из этой информации мы могли точно определить, когда достигаются условия, благоприятствующие фазовому переходу. Контролируя количество атомов пошагово, мы смогли точно измерить, как критическая сила связи с полостью изменяется в зависимости от количества атомов».
«Ещё одно интересное измерение включало анализ временной динамики нарушения симметрии».
Исследователи обнаружили, что более длительное нарушение симметрии могло иметь место только в том случае, если система была дополнительно переведена в фазу нарушения симметрии. Эта наблюдаемая «тенденция» предполагает, что мезоскопические системы характерно «нерешительны» в нарушении симметрии.
«Третьим важным измерением была механическая восприимчивость системы», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Фазовые переходы в макроскопических системах сопровождаются расхождениями в восприимчивости, поскольку требуется лишь небольшое усилие, чтобы подтолкнуть систему к фазе нарушения симметрии. Но для мезоскопических систем расхождение остаётся конечным в точке, где впервые наблюдается нарушение симметрии».
Недавняя работа Стэмпэр-Кёрна и его коллег демонстрирует потенциал массивов атомных пинцетов для построения точных физических систем, которые затем можно использовать для изучения мезоскопической физики и фазовых переходов. Исследователи планируют продолжить изучение мезоскопических систем, используя тот же метод, который использовался в их недавнем эксперименте, и надеются, что другие лаборатории будут вдохновлены сделать то же самое.
«Наши эксперименты подчеркнули эту возможность, особенно для изучения открытых квантово-механических систем», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Мы также наблюдали чёткие мезоскопические признаки в квантовой системе, претерпевающей переход с нарушением симметрии».
«Позволяя физикам разрешать во времени динамику нарушения симметрии в мезоскопических системах, методы, используемые этой исследовательской группой, могут помочь ответить на открытые вопросы физики. Например, это может помочь определить, как долго мезоскопическая система остаётся в состоянии нарушения симметрии, и статистику этого времени сохранения или времени, необходимого системе для переключения между состояниями».