Физики завязали солитоны в квантовые узлы

Физики завязали солитоны в квантовые узлы

Физики из университета Аалто, Финляндия, и Амхертского колледжа, США, создали узловые солитонные волны в квантовом поле сверхтекучего газа, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — это агрегатное состояния вещества, наряду с известными твердым, жидким и газообразным состояниями. Чтобы получить конденсат, нужно охладить материю, состоящую из бозонов, до сверхнизких температур. Из школьного курса физики известно, что два и более электрона (которые относятся к фермионам) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозоны — частицы с противоположным свойством. Может существовать сколько угодно бозонов, обладающих одинаковым квантовым состоянием.

При охлаждении бозонов до абсолютного нуля их энергия достигает минимума, в результате чего все бозоны переходят в основное энергетическое состояние. В квантовой механике действует принцип неопределенности, вызывающий флуктуации частицы с нулевой энергией. Из-за таких эффектов, например, гелий-4 (атомы гелия являются бозонами) при нормальном давлении всегда находится в жидком состоянии и при абсолютном нуле представляет собой квантовую жидкость, которая может течь без трения и обладает нулевой вязкостью. Кроме того, в ней возникают топологические образования, вроде квантовых вихрей. Это один из примеров проявления квантовых эффектов на макроскопическом уровне.

Ранее ученые смогли наблюдать в конденсате Бозе-Эйнштейна формирование экзотических структур, таких как скирмионы — кольцевые и вихреобразные магнитные образования, а также солитоны — устойчивые уединенные волны. На основании решения уравнения Максвелла физики предполагали возможность существования в квантовом поле конденсата узлового солитона, который представляет собой бесчисленное множество колец, каждое из которых соединено с другим, образуя тороидальную структуру.

Ни один из узлов этой структуры нельзя развязать без разрушения всей формы. Это примерно так же, как нельзя непрерывно деформировать тор в безупречный шар — сквозная дырка останется, несмотря на все ухищрения. Ядро солитона представляет собой плотное кольцо бозонов, окруженное тороидальной трубкой. Вцелом вся структура может рассматриваться как способ отображения сферы с трехмерной поверхностью с помощью окружностей и обычной сферы — расслоение Хопфа.

Для создания конденсата ученые в качестве бозонов использовали атомы рубидия-87. С помощью неоднородного электромагнитного поля, приложенного к конденсату особым образом, исследователи воздействовали на магнитный момент бозонов в каждой точке поля, задав им определенное направление. Нулевая точка магнитного поля сперва находилась в 35 микрометрах от центра конденсата, а ее сдвиг к центру привел к тому, что бозоны в тысячные доли секунды образовали области с узловым солитонами внутри, которые соответствовали решению уравнений Максвелла. Физики получили изображения полученных структур, а затем визуально сравнили их с теоретическими результатами компьютерного моделирования эксперимента, доказав, что образовавшиеся формы были именно узловыми солитонами и ничем другим.

Экспериментальное создание узловых солитонов в квантовых полях дает физикам возможность дальнейшего изучения динамики, стабильности и взаимодействия этих структур, что, в свою очередь, позволит ученым больше узнать о поведении квантовых систем и их природе.

Александр Еникеев


N+1

Похожие новости:
Физики создали источник равных одиночных фотонов
Физики из Швейцарии, Франции и Германии создали источник света, который испускает одиночные фотоны равной длины волны. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Phys.org. Созданный учеными источник ..
2015-09-08 3763 0 Научные открытия
1
В МГУ создали оптический генератор нового поколения
Группа ученых физического факультета МГУ совместно с коллегами из Швейцарии разработала устройство, которое позволяет получать сверхкороткие оптические импульсы, а также СВЧ-излучение с рекордно низким уровнем помех. Подробности приведены в статье ученых для журнала Nature Photonics (доступен препринт), ..
2013-12-29 1857 0 Научные открытия
0
Физики научились завязывать воду в узлы
Спустя 100 лет после того, как учёные озвучили возможность завязывания воды в узлы, физики придумали и осуществили подобный эксперимент в лаборатории. Отдельного внимания заслуживает способ, при помощи которого исследователи смогли определить, что собственно происходит в жидкости. Впервые о связанных "кольцевых вихрях" ..
2013-03-8 1607 0 Научные открытия
0
Физики наблюдали странное движение электрона
Ученые из Японии и Австрии исследовали энергетические уровни Ландау свободного электрона при его движении в магнитном поле. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте RIKEN. Энергетические уровни Ландау возникают при движении ..
2014-08-09 2450 0 Научные открытия
0
Атомный газ обменялся с кристаллом квантовыми состояниями
Испанские ученые впервые передали с помощью фотонов квантовые состояния между облаком холодных атомов рубидия-87 и кристаллом Pr3+:Y2SiO5. Статья опубликована в Nature.Чтобы построить квантовую сеть, необходимо не только сохранять квантовые состояния в течение долгого времени, но и передавать ..
2017-11-26 4417 0 Научные открытия
0
Физики научились телепортировать энергию
Сначала они телепортировали протоны, затем атомы и ионы. А теперь один физик открыл способ, который позволяет проделать это с энергией. Данное открытие имеет большое значение для будущего физики. В 1993 году, Чарли Беннетт из Исследовательского Центра IBM имени Уатсона ..
2013-12-9 2622 0 Научные открытия
0
Тяжелым солитонам отказали в праве на существование
Физики провели одну из крупнейших численный симуляций на суперкомпьютере и показали, что «тяжелые солитоны» увиденные ранее учеными из Массачусетского технологического института, на самом деле являются не солитонами, а «квантовыми аналогами дымных колец». Работа ученых из Вашингтонского университета опубликована в журнале ..
2014-02-05 1547 0 Научные открытия
0
Физики продемонстрировали работу квантового переключателя
Физики Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством Михаила Лукина придумали квантовые переключатели, управлять работой которых можно единичными фотонами. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature, кратко с ним можно ознакомиться на сайте Гарвардского университета. В ..
2014-04-25 1836 0 Научные открытия
0
«Нанобарабан» приблизили к квантовому пределу усиления
Физики из университетов Аалто и Ювяскюля (Финляндия) разработали квантовый усилитель микроволнового излучения, способный функционировать с уровнем шума, близким к квантовому пределу. Коэффициент усиления прибора достигает 41 децибелла (12,5 тысяч раз), при этом добавка квантового шума превышала квантовый предел (полкванта) ..
2016-11-05 6556 0 Научные открытия
0
Американские физики реализовали квантовый алгоритм Шора
Американские физики из университета Санта Барбары сделали очередной шаг на пути создания полноценного квантового компьютера - они смогли полноценно реализовать квантовый алгоритм Шора на системе с тремя кубитами. Статья ученых вышла в Nature Physics, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org.В ..
2012-08-20 1748 0 Научные открытия
0
Физики объяснили роль гравитации в проявлении квантовых свойств
Физики из Австрии объяснили роль гравитации в подавлении проявления квантовых свойств микромира. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Physics. Исследование микромира — взаимодействий элементарных частиц — проводится, как правило, на низких энергиях в пренебрежении эффектами гравитации. Однако ..
2015-06-16 7155 0 Научные открытия
0
Ученые обнаружили необычные связанные скирмионы
Физики из США и Японии впервые наблюдали связанные состояния скирмионов, которыми можно управлять при помощи электрического поля. Свое исследование ученые опубликовали в журнале Physical Review Letters, кратко с ним можно ознакомиться сайте Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Ученые ..
2014-06-28 1475 0 Научные открытия
0
Физики сообщили об объективной реальности волновой функции
Физики из Австралии и Франции провели эксперимент, который, по их словам, указывает на реальность волновой функции (пси-функции). Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Physics, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте New Scientist. Квадрат модуля волновой функции определяет ..
2015-02-04 2507 0 Научные открытия
-1
Физики нашли у кубита свойства тепловой машины
Кубиты, созданные на основе джозефсоновского контакта, можно рассматривать как квантовые тепловые машины. Ученые из Бразилии смогли показать, что такой подход позволяет управлять динамикой образования и нарушения когерентных связей между элементами квантово-компьютерной цепи. Работа опубликована в Physical ..
2017-10-09 9607 0 Научные открытия
0
Физики наблюдали квантовую запутанность в системе квазичастиц
Австрийские ученые наблюдали явление квантовомеханической запутанности и ее распространение в системе квазичастиц. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Nature, кратко с ними можно ознакомиться на сайте Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца. Физики исследовали квантовые состояния цепочки ..
2014-07-12 1567 0 Научные открытия
0