Выполнены прямые наблюдения квантовых флуктуаций

Сотрудник французского Института оптики Жюльен Армийо (Julien Armijo) выполнил прямые наблюдения квантовых флуктуаций в атомарном газе.

Как известно, квантовые («нулевые») флуктуации сохраняются даже при температуре T = 0, где классическая термодинамика предсказывает отсутствие каких бы то ни было возбуждений. Необходимость сохранения квантовой системой некоторой конечной энергии в основном состоянии — прямое следствие принципа неопределённости Гейзенберга, и доказать это совсем не трудно. Действительно, отсутствие энергии означало бы, что у объекта точно заданы и импульс (нулевой), и координата (соответствующая точке минимума потенциальной энергии), а такая комбинация не удовлетворяет соотношению неопределённостей.

В привычных для человека диапазонах размеров и температур нулевые флуктуации себя не проявляют. Без учёта этого феномена, однако, невозможно описать многие «тонкие» физические эффекты вроде излучения Хокинга (испускания элементарных частиц чёрными дырами), лэмбовского сдвига (смещения уровней энергии связанных состояний электрона во внешнем поле) или неоднократно упоминавшихся нами сил Казимира — Полдера. Регистрируя такие эффекты, учёные косвенно подтвердили истинность теории квантовых флуктуаций.

Охлаждённое облако атомов рубидия на снимке с 5-микрометровыми пикселами (иллюстрация J. Armijo / Inst. of Optics).

Г-н Армийо пошёл по другому пути и разработал оригинальную методику прямого обнаружения флуктуаций при наблюдении за охлаждёнными атомами рубидия ⁸⁷Rb, захваченными в микромагнитные ловушки. Давно установлено, что нулевые флуктуации играют особенно важную роль в низкоразмерных системах (в одномерном случае они, к примеру, могут разрушить дальний порядок и препятствовать бозе-эйнштейновской конденсации даже при T = 0), а потому в экспериментах создавался одномерный атомарный газ.

Охладив атомы, автор определял, насколько хорошо разные участки одномерного облака газа поглощают излучение. Эта операция повторялась несколько сотен раз, после чего г-н Армийо высчитывал флуктуации плотности облака относительно его средней плотности. Такие флуктуации отражали присутствие волн плотности (фононов).

Поскольку температура в опытах снижалась «всего лишь» до 4,7 нК, необходимо было придумать, как отличать обычные тепловые фононы от квантовых. Решение задачи оказалось достаточно простым: французский физик воспользовался тем, что амплитуды квантовых и тепловых флуктуаций по-разному зависят от характерного масштаба длин, на котором исследуется система. Увеличивая этот масштаб — объединяя данные по соседним пикселам на снимках газового облака — и оценивая флуктуации плотности в новых условиях, он доказал, что результаты опыта нельзя представить в чисто классическом виде.

Отчёт, подготовленный экспериментатором, опубликован в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Американского физического общества.