Осцилляции Блоха — это периодические колебания квантовых частиц в повторяющемся энергетическом «ландшафте» (например, в кристаллической решётке), которые подвергаются постоянному воздействию силы. Эти движения частиц стали предметом многочисленных физических исследований, поскольку они представляют собой интригующие квантовые эффекты, не предсказанные теориями классической механики.
Экспериментальное исследование осцилляций Блоха может дать новое представление об основных свойствах квантовой материи. До сих пор они в основном изучались на отдельных частицах или системах из двух частиц, в отличие от квантовых систем многих тел, состоящих из нескольких частиц.
Исследователи из CNRS-ENS-PSL University и Sorbonne University сообщают о наблюдении коллективных осцилляций Блоха в одномерной (1D) системе бозе-газа.
Бозе-газ — это квантовая жидкость, состоящая из бозонов, частиц, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние.
Их статья, [опубликованная в Nature Physics][1], демонстрирует, что эти широко изученные типы движений частиц также можно наблюдать для составных систем, открывая новые возможности для изучения взаимодействий многих тел.
Старший автор статьи Жером Беугнон рассказал Phys.org:
«Мотивация для проведения этого эксперимента возникла из обсуждения с коллегой Н. Павроффом, который рассказал о недавней теоретической работе, которую он выполнил в сотрудничестве с командой А. Рекати в Тренто, Италия.
Меня привлёк этот проект по двум причинам. Предсказанное поведение является впечатляющим и очень неинтуитивным: если вы приложите постоянную и равномерную силу к изучаемому волновому пакету атомов, этот волновой пакет будет колебаться в пространстве.
Хотя это хорошо известно (как осцилляции Блоха) в квантовой механике, когда одна частица эволюционирует в потенциальном поле решётки (как электроны в твёрдых телах), это гораздо более удивительно для системы без решётки. Ключевым фактором, объясняющим это поведение, является квантовая природа среды, в которой движется волновой пакет».
Теоретические физики предоставили хорошее понимание многих тел, связанных с осцилляциями Блоха, но экспериментальная проверка их теорий часто оказывалась сложной. В своей статье Беугнон и его коллеги представляют новую экспериментальную платформу, которая позволяет реализовать коллективные осцилляции Блоха и таким образом может помочь проверить эти теории.
«Физическая система, которую мы использовали, представляет собой смесь двух компонентов ультрахолодных атомов», — пояснил Беугнон. «Мы создаём волновой пакет из одного из компонентов и изучаем его движение в среде, состоящей из другого компонента. Атомы удерживаются лазерными потенциалами, а внешняя сила, которую мы прикладываем к системе, является магнитной».
В созданной ими физической системе исследователи смогли наблюдать осцилляции Блоха, включающие примерно 1000 частиц, чего раньше никогда не удавалось достичь. Это выдающееся достижение, учитывая, что колебания, о которых сообщалось в большинстве более ранних работ, не были коллективными, а ограничивались одной или двумя частицами.
«Наше наблюдение — отличный пример, позволяющий выявить специфические свойства одномерных квантовых систем, в данном случае периодичность их дисперсионного соотношения», — сказал Беугнон.
«Мы также расширили теоретическое исследование на случай атомов, движущихся по кольцевой геометрии, и показали взаимодействие между осцилляциями Блоха и созданием квантованных сверхтекучих токов во время движения».
Недавняя работа Беугнона и его коллег представляет собой новую многообещающую экспериментальную платформу для изучения коллективных движений в сильно взаимодействующих квантовых системах. Будущие исследования, изучающие физическую систему, которую они исследовали, или другие подобные системы, могут улучшить нынешнее понимание взаимодействий многих тел, а также позволят физикам проверить некоторые неподтверждённые теоретические предсказания.
«Волновой пакет, который мы изучили, является так называемым магнитным солитоном», — добавил Беугнон. «На практике это один пример из более крупного семейства магнитных солитонов. Ожидается, что динамика более общих магнитных солитонов будет очень богатой, и мы планируем изучить их в будущем».
[1]: https://www.nature.com/articles/s41567-025-02970-1
© 2025 Science X Network
More from [Other Physics Topics][2]
[2]: https://www.physicsforums.com/forums/other-physics-topics.111/