Фізики з Інституту квантової оптики ім. М. Планка, Університету Гарварда і Каліфорнійського технологічного інституту експериментально встановили існування резонансу Гіґґса у холодних атомах поблизу фазового переходу. Один із учасників проекту, запрошений доповідач Російського квантового центру, професор факультету фізики Гарвардського університету Євген Демлер розповів про дослідження з використанням холодних атомів, виступивши напередодні відкриття із доповіддю у Фізичному інституті ім. П.М. Лебедєва РАН.

Ультрахолодні атоми і оптичні ґратки сьогодні вважаються одними з найбільш перспективних інструментів у квантовому моделюванні та вивченні надпровідності. За допомогою моделей із сильно зменшеними енергіями (до піко-і мікрокельвінів) вони дозволяють імітувати високотемпературну надпровідність.

Євген Демлер: «Чудовим у цих холодних атомах є те, що ми можемо створювати моделі, які можна точно реалізувати у ферміонних моделях атомів. І хоча всі ефекти виміряти поки не вдається, ми точно знаємо, що у цій системі є модель Хаббарда: це найпростіша модель, що описує взаємодію частинок у кристалічній ґратці і перехід між провідним і діелектричним станом. Зв'язки між ферміонами у ній спрощені до дуже локального рівня: просто є квадратна ґратка і ферміони «бігають» з одного вузла в інший». Ця модель покликана допомогти у вивченні причин високотемпературної надпровідності.

На цей раз у центрі уваги вчених виявилося явище, яке відіграє ключову роль у фазовому переході, - спонтанне порушення симетрії. Воно виникає, наприклад, коли магніти у феромагнітному матеріалі мимовільно орієнтуються в одному напрямку при охолодженні до температури Кюрі. У разі порушення системи у ній можуть виникнути колективні коливання, при яких частинки будуть рухатися узгоджено. Якщо колективний рух відбувається відповідно до принципів теорії відносності (точніше, її «ефективної» частини, у якій швидкість світла замінюється швидкістю звуку, що призводить до істотно більш повільної динаміки), то можлива поява особливого коливання - так званого резонансу Гіґґса. У Стандартної моделі, що описує взаємодію всіх відомих частинок, йому відповідає широко обговорюваний останнім часом бозон Гіґґса. Однойменне збудження може з'являтися і у твердотільних системах, якщо колективний рух частинок підпорядковується законам теорії відносності.

Основна складність полягає у тому, що, як і у фізиці елементарних частинок, у твердотільних системах резонанс Гіґґса швидко затухає до рівня низькоенергетичних збуджень і тому важко піддається детектуванню. Особливо короткий термін життя він має у системах з невеликим числом вимірів. До недавнього часу фізики і зовсім сумнівалися у самій можливості виявлення резонансу у таких структурах. Тепер вченим вдалося експериментально розпізнати коливання у двовимірної системі, причому його існування встановлено при вкрай низьких температурах, у той час як зазвичай це явище спостерігається на рівні максимальних температур. Такі умови створюються, наприклад, в експериментах Великого адронного коллайдера (ВАК) у CERN.

Експериментальний прилад в Інституті квантової оптики ім. М. Планка - «оптичний стіл» з лазерами для охолодження атомів і оптичні та електрооптичні елементи, що регулюють параметри лазерних променів.

Всього дослідники охолодили близько 500 атомів рубідію до температури, близької до абсолютного нуля, і помістили їх в оптичну ґратку, яка утворена з лазерних променів, що перетинаються під прямим кутом. Холодні атоми в комірках ґратки дозволили змоделювати різні стани речовини.

Розповідає Євген Демлер: «При поглибленні відсіків, яке досягається за допомогою більш інтенсивного лазерного світла, розвивається високовпорядкований стан, відомий як «діелектрик Мотта»: матеріал такого типу не проводить електрику внаслідок сильної міжелектронної взаємодії. У цьому випадку охолоджені атоми займають фіксоване положення в комірках. При зменшенні глибини комірок відбувається фазовий перехід, і речовина перетворюється у надтекучу рідину».

При цьому атоми отримують можливість безперешкодно розосереджуватись і стають частиною квантово-механічної хвилі, яка поширюється на всю ґратку. Коли рівновага єдиної квантової системи порушується, колективні коливання можуть утворити коливання особливого типу - «резонанс Гіґґса».

Дослідники налаштували параметри двовимірної системи таким чином, що квантовий газ виявився близьким до фазового переходу між діелектриком Мотта і надтекучою рідиною. Потім глибину комірок стали змінювати на короткий час (близько кількох мілісекунд); плавність і нетривалість модуляції були важливі для того, щоб уникнути побічних ефектів і розпізнати потрібний резонанс. За допомогою розробленого групою високочутливого методу, який дозволяє вимірювати температуру з точністю до однієї мільярдної градуса Кельвіна, вчені виявили невеликі піки у розподілі температур при певних значеннях частот модуляції. Підвищення температури пояснюється тим, що система поглинає більше енергії, коли частота модуляції яскравості збігається з частотою коливання у Гіґґсовому полі і резонанси утворюються більш інтенсивно.

Результати спостережень можуть бути використані для дослідження Гіґґсового поля у концепціях, що розглядають системи з більш високим числом вимірів, наприклад, у теорії струн. У теоретичному вигляді точну форму резонансу Гіґґса на даний момент обчислити неможливо (хоча його теоретичний опис простіший, ніж у випадку з бозоном Гіґґса на ВАК): перешкодою знову стає сильне згасання коливання. Зараз фізики сконцентровані на обгрунтуванні принципу детектування резонансу.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: km.ru