物理学者は初めてボーズ凝縮で「時空間結晶」を作成しました

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物理学者は初めてボーズ凝縮で「時空間結晶」を作成しました
物理学者は初めてボーズ凝縮で「時空間結晶」を作成しました
Anonim
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オランダの物理学者は、光トラップに閉じ込められた冷たいナトリウム原子のボーズ凝縮体から「時空間結晶」を初めて取得しました。これを行うために、科学者はコンデンセートの自然振動を励起し、その密度の分布を測定し、そのフーリエ変換を行って構造の周期性と安定性を証明しました。記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、作品のプレプリントはarXiv.orgWebサイトに掲載されています。

原子の運動を支配する法則が任意の座標シフト(並進)中に変化しなかった場合、剛体は形成できず、すべての空間は均質な理想気体で満たされます。幸いなことに、実際には、原子間の相互作用はそのような対称性を持たず、粒子は周期的な空間構造(結晶)に集められます。このような構造は、限られた範囲の離散変換に関して不変です。たとえば、プリミティブ立方格子は、同じ長さの3つの垂直ベクトルから構築できるベクトルによってシフトされた場合にのみそれ自体に変換されます。理論物理学者の観点からは、これは、結晶が元の連続並進対称性を離散対称性に自発的に破壊することを意味します。この場合の「自発的」という言葉は、元の運動方程式がそれを保持しているにもかかわらず、システムが自発的に対称性を破る状態に移行するために発生します。

2012年、ノーベル賞受賞者のフランクウィルチェックは、この推論をタイムシフトに一般化し、タイムクリスタルの概念を開発しました。空間シフト中にその構造を繰り返す空間結晶とは異なり、「時間結晶」は時間の経過とともに周期的にその状態を再現します。そのような結晶の最も単純な類似物は、その振動が時間とともに減衰しなければ、理想的な振り子である可能性があります。残念ながら、平衡システムで「時間結晶」を作成することは不可能です。システムが可能な限り低いエネルギーの状態に入ると、無制限の時間その中に留まり、平衡から外れると、周期性が失われます。時間内に。

しかし、数年後、理論家は離散時間結晶の作成を可能にする方法を提案しました。 「離散時間」に切り替えるために、科学者はシステムに外部の周期的アクションを課しました。このようなシステムでは、時間の任意のシフトに関して対称性はありませんが、「離散時間」のシフトに関しては不変性があります。アクションtの期間のシフトと比較して、残ります。このような条件下では、周期T> tの周期構造が発生する可能性があり、これにより、曝露頻度のわずかな変化でT / t比が維持されます。比喩的に言えば、そのような構造は、通常の結晶の空間的剛性と同様の「時間的剛性」を持っています。さらに、粒子間の相互作用の力が減少すると、システムは通常の結晶のように「溶融」および「結晶化」(秩序を失い、回復する)することができます。物理学者は、2016年に最初の「離散時間の結晶」を受け取りました。次のステップは、空間と離散時間の両方で周期的な「時空間結晶」を作成することです。しかし、長い間、科学者はそのようなシステムを作ることができませんでした。

ピーター・ファン・デル・ストラテンが率いる科学者のグループは、実際に「時空間結晶」を最初に入手した。これを行うために、物理学者は光トラップで50万個のナトリウム23原子を捕らえ、それらを冷却し、超流動ボース-アインシュタイン凝縮を形成するように強制しました。雲を保持するレーザーの周波数の違いにより、凝縮物の形状は非常に細長い円柱に似ており、その長さは半径の約40倍でした。その後、物理学者はトラップの半径方向の周波数を大幅に変更し、100ヘルツをわずかに超える周波数(t≈10ミリ秒の期間に相当)でトラップ内の自然な半径方向の振動を励起しました。これらの振動は、結晶が形成された背景に対する離散時間ステップを決定しました。

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実験の図(a)、一連のアクション(b)、および連続した時間に撮影されたボーズ凝縮の画像(c)

その後、科学者たちは、約3.3ミリ秒の間隔でカメラで凝縮物を撮影することにより、空間と時間における原子の密度の変動を測定しました。個々の実験ごとに、研究者は約16の「離散時間」ステップをキャプチャした50枚の写真を撮りました。各画像について、物理学者は雲の断面に沿った空間密度分布を平均し、その縦座標への依存のみを残しました。構築された画像は、空間と時間で周期的でした(ステップT = 2t)。

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「時空結晶」の密度分布の科学者による構築

得られた構造が実際に「時空間結晶」であることを確認するために、物理学者は測定された密度分布のフーリエ変換を実行しました。構築されたスペクトルには、周波数(k / kc、f / fc)=(±1、±½)の機械的振動に対応する4つのピークと、周波数(k / kc、f / fc)の2つのピークが含まれていることがわかりました。 =(0、±1)(最初の数値は空間変動に対応し、2番目の数値は時間変動に対応します)。これらの振動は、閉じ込めレーザーの周波数の小さな変化によってシステム内で励起され、時間と空間における構造の安定性を示します。このように、システムは本当に「時空間結晶」に凝縮されました。

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結晶形成前(左)と後(右)の凝縮液密度分布(上段)とそのフーリエ変換(下段)

さらに、物理学者は、グロス-ピタエフスキー方程式に基づいてボーズ凝縮体の挙動を数値的にシミュレートしました。得られた画像は、実験結果とほぼ正確に一致していました。したがって、記事の著者は、彼らが得た「時空結晶」の振る舞いは、いくつかの新しい効果ではなく、これらの方程式によって完全に決定されると信じています。

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結晶形成前(左)と後(右)の数値計算された凝縮液密度分布(上段)とそのフーリエ変換(下段)

冷却されたイッテルビウム原子の非平衡系における「離散時間の結晶」の作成は、クリストファー・モンローが率いるアメリカの科学者のグループによって2016年10月に初めて発表されました。このために、物理学者はアンダーソンの局在化と同様の効果を使用しました-この効果の結果として、システムのコンポーネントの波動関数が局在化され、エネルギーはシステムを離れることができません。科学者の発見に関する詳細は、イゴール・イワノフの記事に記載されています。

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