Уникальные кадры стали наглядным доказательством квантовых явлений, происходящих между частицами, наличие которых ученые ранее предполагали лишь теоретически. Новая методика визуализации, разработанная исследовательской группой из Массачусетского технологического института (MIT) под руководством профессора физики Мартина Цвирляйна, позволяет «замораживать» движение атомов в нужный момент и получать четкие снимки их взаиморасположения, давая физикам беспрецедентную возможность взглянуть на квантовый мир в реальном пространстве.
Принцип работы уникальной установки заключается в следующем: сначала атомы собираются в облако и предоставляются сами себе — свободно перемещаются и взаимодействуют. Затем включается «решетка света», которая мгновенно фиксирует их на месте. Следом включаются точно откалиброванные лазеры — они вызывают свечение атомов, и это свечение фиксируется камерой, создавая изображение их фактического расположения в момент остановки. Сложность заключалась в том, чтобы не «вскипятить» атомы лазерным излучением, то есть не разрушить их из-за чрезмерного нагрева. Команде потребовались годы на то, чтобы отточить технологию, которая позволяет облучать атомы лучом достаточной интенсивности для их визуализации, но при этом не настолько сильным, чтобы он мог нарушить структуру облака.
С помощью новой технологии исследователи смогли рассмотреть поведение двух разных классов атомов: бозонов и фермионов. Фундаментальные различия между этими атомами определяются их спином, а в квантовой физике проявляются в противоположных свойствах — бозоны склонны притягиваться друг к другу, тогда как фермионы, наоборот, отталкиваются.
Так, Цвирляйн и его коллеги впервые получили изображение облака бозонов, состоящего из атомов натрия. При низких температурах облако бозонов образует так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, в котором все бозоны разделяют одно и то же квантовое состояние. С помощью микроскопа MIT ученые впервые увидели, как бозоны действительно группируются, подтверждая гипотезу Луи де Бройля о волновой природе материи, положившую начало современной квантовой механике.
Также команда визуализировала поведение облака фермионов, состоящих из атомов лития. Обычно фермионы отталкиваются друг от друга, однако при определенных условиях они могут взаимодействовать друг с другом и формировать пары. Именно такую фермионную парность — ключевой механизм, лежащий в основе сверхпроводимости — исследователи впервые увидели своими глазами. До сих пор такие взаимодействия описывались лишь на уровне математических моделей и гипотез, но теперь они получили визуальное подтверждение.
Это открытие не только позволяет глубже понять фундаментальные принципы квантовой механики, но и открывает путь к исследованию еще более загадочных явлений, например, квантового эффекта Холла — ситуаций, когда взаимодействующие электроны демонстрируют новое коррелированное поведение в присутствии магнитного поля. Такие состояния материи до сих пор вызывают затруднения у теоретиков, поскольку не поддаются полному аналитическому описанию. Как отмечает Цвирляйн, теперь физики смогут проверить, насколько реальные представления об этих состояниях соответствуют нарисованным в научных статьях «картинкам». Визуализация квантового мира, ранее доступная только в уравнениях и абстракциях, становится наглядной и ощутимой реальностью.
Тем временем физики подсчитали массу нейтрино, и эта частица оказалась легче, чем мы думали.
