Микроскопические и макроскопические системы
С увеличением количества частиц в физической системе её свойства могут меняться, и могут происходить различные фазовые переходы (то есть переходы в разные фазы вещества). 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 при росте системы.
Исследование
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 журнале 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», — рассказал Phys.org Дэн М. Стэмпэр-Кёрн, старший автор статьи.
«Эта работа продвинулась технически за несколько поколений экспериментов: первая установка, в которой 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 из тысяч атомов, но могли точно контролировать их расположение; и теперь эксперимент третьего поколения, в котором 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 резонаторы
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 сенсорных приложениях и многое другое.
«Наиболее творческий вклад моей группы, пожалуй, заключается в создании оптико-механических систем с использованием ультрахолодных атомов и оптических резонаторов 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, включая те, которые ищут квантовые эффекты гравитации, и так далее. Так что тема оптико-механики была свежа в моей памяти, когда наша последняя система с полостью/пинцетом вышла в сеть».
Цели эксперимента
Целью эксперимента команды было, во-первых, ответить на научный вопрос, а во-вторых, открыть новые возможности для исследований. Научный вопрос, на который они ответили: как фазовые переходы и нарушение симметрии изменяются при переходе от макроскопической системы, в которой обычно наблюдаются 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, должен задаваться в контексте временных масштабов», — 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».
Результаты исследования
Исследователи попытались ответить на вопрос, связанный со временными масштабами, собирая временные измерения, показывающие динамику системы, которая претерпела бы нарушение симметрии в макроскопическом масштабе. Второй целью их исследования было проложить путь к 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 резонатором и степень, в которой начальное состояние нарушает симметрию путём построения», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Однако мы сейчас рассматриваем более богатый набор управляющих параметров, в которых мы изменяем силу и фазу связи атома с резонатором или накладываем несколько различных моделей связи одновременно или последовательно. Мы теоретически понимаем, что такой контроль может создать системы с гораздо более богатой динамикой и фазовыми диаграммами, включая системы, которые эффективно выполняют численную оптимизацию».
В своих экспериментах Стэмпэр-Кёрн и его коллеги использовали новую и быстро развивающуюся технику. Они сначала поместили атомы в несколько индивидуально управляемых оптических ловушек-пинцетов, 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», — пояснил Стэмпэр-Кёрн. «Как только мы получим эту информацию, мы отключим некоторые пинцеты, чтобы у нас осталось фиксированное количество атомов, и мы сместим оставшиеся ловушки-пинцеты так, чтобы атомы были размещены в точных местах в оптическом резонаторе».
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 резонатора, и измерили его электрическое поле с помощью устройства, известного как оптический гетеродинный детектор.
«Свет внутри нашей полости образует стоячую волну, и, таким образом, поле резонатора имеет синусоидальный профиль с узлами, чередующимися между положительным и отрицательным знаком. Атомы, помещённые точно в узлы поля резонатора, не должны рассеивать свет в резонатор», — сказала Жаклин Хо, ведущий автор статьи. «Однако квантовые и тепловые флуктуации вызывают смещения в положениях атомов и приводят к рассеянию света в резонатор».
«При превышении критической пороговой величины силы освещения свет, накапливающийся внутри резонатора, оказывает достаточное усилие, чтобы преодолеть притяжение ловушек-пинцетов», — сказала Хо. «Это заставляет атомы двигаться от узлов резонаторного поля к антиузлам, где они затем рассеивают ещё больше света в резонатор. 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 резонатора. Положение атомов определяет знак и величину поля резонатора, что в конечном итоге позволяет детектору группы фиксировать происходящее внутри резонатора.
«С помощью этой системы мы измерили несколько интересных вещей», — сказал Стэмпэр-Кёрн. «Мы могли определить, когда выходной сигнал резонатора 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 резонатором изменяется в зависимости от количества атомов».
«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 был применён 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 фиксировать 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 с нарушением симметрии, и статистику этого времени сохранения или времени, необходимого системе для переключения между состояниями. Кроме того, это может помочь выяснить, колеблются ли когда-либо системы полностью из одного состояния с нарушением симметрии в другое, и ответить на различные другие увлекательные исследовательские вопросы.
«Мы рады изучить, как флуктуации и диссипация соотносятся в этой активной/диссипативной мезоскопической системе», — объяснила Хо. «В равновесных системах это количественно определяется с помощью теоремы флуктуации-диссипации, которая связывает флуктуации во времени с восприимчивостью системы или реакцией на внешние силы».
В своих следующих исследованиях Стэмпэр-Кёрн и его коллеги планируют ещё больше усовершенствовать свои методы, чтобы ещё больше повысить степень программируемости системы. Например, они хотели бы спроектировать мезоскопическую систему, реализованную в их недавнем исследовании, так, чтобы она имела более широкий выбор состояний с нарушением симметрии и чтобы в ней действовали не взаимные силы, которые, по-видимому, нарушают третий закон Ньютона.
«Эта идея будет описана в будущей теоретической статье», — добавил Стэмпэр-Кёрн. «Наконец, третьим захватывающим направлением нашей будущей работы будет переход от механической к спиновой степени свободы и использование нашей системы пинцет-резонатор для реализации более близких аналогов фазового перехода Дике», — добавил Стэмпэр-Кёрн.
optical cavity. To study interactions between the atoms and light, they collected light emitted from the cavity and measured its electric field, using a device known as an optical heterodyne detector.”,”\”Light inside of our cavity forms a standing wave, and thus the cavity field has a sinusoidal profile with the antinodes alternating between positive and negative sign. Atoms placed exactly at the nodes of the cavity field should not scatter any light into the cavity,\” said Jacquelyn Ho, lead author on the paper.”,”\”However, quantum and thermal fluctuations cause displacements in the atom positions and lead to light being scattered into the cavity. Once the strength of the illumination light surpasses a critical threshold, the light that builds up inside the cavity exerts enough force to overcome the pull of the optical tweezer traps.”,”\”This causes the atoms to move away from the cavity nodes and towards the antinodes, where they then scatter even more light into the cavity. That scattered light acts back on all the atoms and pulls them further towards the antinodes, leading to an avalanche effect in which the atoms collectively self-organize.\””,”The team observed that the self-organization of their atom-light system breaks symmetry, as atoms spontaneously move either to the positively or negatively signed antinodes of the cavity field. The position of the atoms determines the sign and magnitude of the cavity field, which ultimately allows the team’s detector to pick up what is happening inside the cavity.”,”\”With this system we measured a few neat things,\” said Stamper-Kurn. \”We could detect when the cavity output bifurcates into a strong either positive- or negative-signed field. From this information, we could identify precisely when the conditions favoring a phase transition are reached. By controlling the atom number stepwise, we were able to measure precisely how the critical coupling strength to the cavity varies with atom number. Another exciting measurement involved analyzing the time dynamics of symmetry breaking.\””,”The researchers found that longer-lived symmetry breaking could only take place if a system was driven further into the symmetry-breaking phase. This observed \”tendency\” suggests that mesoscopic systems are characteristically \”indecisive\” about breaking symmetry.”,”\”A third important measurement was that of the mechanical susceptibility of the system,\” said Stamper-Kurn. \”Phase transitions in macroscopic systems are accompanied by divergences in the susceptibility, as it takes only a little nudge to push the system into a symmetry-breaking phase. But for mesoscopic systems, the divergence remains finite at the point where symmetry breaking is first observed.\””,”The recent work by Stamper-Kurn and his colleagues demonstrates the potential of atom tweezer arrays for constructing precise physical systems, which can then be used to study mesoscopic physics and phase transitions. The researchers plan to continue studying mesoscopic systems using the same method employed in their recent experiment, and hope that other labs will be inspired to do the same.”,”\”Our experiments highlighted this capability particularly for the study of open quantum mechanical systems,\” said Stamper-Kurn. \”We also observed clear mesoscopic signatures in a quantum system undergoing a symmetry-breaking transition. This topic is interesting both for the long-standing study of mesoscopic systems (nanomechanics, biological molecules, mesoscopic electronics, etc.) and for the study of quantum phase transitions.\””,”By allowing physicists to time resolve the dynamics of symmetry breaking in mesoscopic systems, the methods employed by this research group could help to answer open physics questions. For instance, it could help to determine how long a mesoscopic system remains in a symmetry-broken state and the statistics of this persistence time or of the time it takes for the system to switch between states. In addition, it could help to find out if systems ever fluctuate entirely from one symmetry broken state to another and to answer various other fascinating research questions.”,”\”We are excited to study how fluctuations and dissipation relate in this driven/dissipative mesoscopic system,\” explained Ho. \”In equilibrium systems, this is quantified through the fluctuation-dissipation theorem, which relates fluctuations in time to the system’s susceptibility, or response to external forces. We expect that due to the various timescales at play in our system, we may find violations of the canonical fluctuation-dissipation relationship.\””,”In their next studies, Stamper-Kurn and his colleagues plan to further improve their methods to further enhance the extent to which a system can be programmed. For instance, they would like to engineer the mesoscopic system realized in their recent study so that it has a larger selection of broken symmetry states and so that it hosts non-reciprocal forces, which seemingly violate Newton’s third law.”,”\”This idea will be described in a forthcoming theoretical paper,\” added Stamper-Kurn. \”Finally, a third exciting direction for our future work will be to move from the mechanical to the spin degree of freedom and using our tweezer-cavity system to realize closer analogs of the Dicke phase transition,\” added Stamper-Kurn.”,”Asked what inspired her to pursue this topic for her doctoral research, Ho responded, \”I am constantly in awe that the laws of physics unify so many seemingly disparate physical systems. Self-organization is an example of a phenomenon that transcends differences in physical platforms. The more I learn about this subject, the more I’ve realized how our quantum system connects to topics in non-equilibrium physics, biophysics, and active matter, to name a few. I find that pretty fascinating.\””,”This study came to fruition through a team effort between experimentalists and theorists. \”Many aspects of this experiment worked in part due to the hard work of Zhenjie Yan, Yue-Hui Lu, and Tai Xiang,\” added Ho. \”In addition to giving us many insights and perspectives, our collaborators at Columbia University (Ana Asenjo-Garcia and her postdocs Cosimo Rusconi and Stuart Masson) did amazing work to provide a rigorous mathematical framework for explaining our results.\””,”Written for you by our author Ingrid Fadelli, edited by Gaby Clark, and fact-checked and reviewed by Robert Egan—this article is the result of careful human work. We rely on readers like you to keep independent science journalism alive. If this reporting matters to you, please consider a donation (especially monthly). You’ll get an ad-free account as a thank-you.“,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник