От хаоса к порядку – через стабильность

Один из примеров фазовых переходов. Так выглядит смоделированный на суперкомпьютере процесс перехода из твердой молекулярной фазы (вверху) в квантовую жидкость (внизу) водорода под высоким давлением.
Фото с сайта www.llnl.gov

Сегодня наш ученый может быть сотрудником одновременно двух разных научных учреждений Европы. И.Мезиц работает в Санкт-Петербургском физтехе имени Иоффе и в то же время сотрудничает с М.Грингом, работающим в Венском технологическом университете. В одном из осенних номеров Science они опубликовали статью, посвященную особому чипу для охлаждения одиночных атомов, которым «дозволялось» интерферировать друг с другом, в результате чего возникала материя-волна. Этим они подтвердили давний дуалистический постулат квантовой механики, согласно которому материальная частица одновременно является и волной.

Напомним, интерференция света была открыта в 1809 году английским глазным врачом Т.Юнгом, которого поразило чередование светлых и темных полос на экране. Он предположил, что столкновение световых волн может как усиливать, так и ослаблять друг друга в результате «вмешательства», или интерференции.

Задачей исследователей являлось изучение перехода квантовой системы к температурному равновесию. При этом ученые обнаружили удивительно стабильное промежуточное состояние, характеризующее переход от хаоса к порядку. Популярное изложение их открытия демонстрирует знаменитый фазовый переход от льда через жидкое состояние воды к пару. Фазовые переходы представляют собой так называемое термальное равновесие, приводящее к тому, что молекулы воды переходят из упорядоченного состояния льда в хаотическое в жидкости. На границе этого перехода возникает так называемая пре-термализация, играющая важную роль и в мире квантов.

Много лет назад удалось настолько заморозить газ, что он стал вести себя как единый атом. Подобное состояние получило название «конденсат Бозе-Эйнштейна» (ВЕС). На специально сконструированном атомном чипе ВЕС быстро «расщепляется» на две части, соединение которых приводит к возникновению трехмерной интерференционной картины материи-волны с красными («горячими») и голубыми пиками и долинами.

Форма интерференционной картины, полученной с помощью атомного чипа, показала, что два столкнувшихся по воле ученых облака не «забыли» о том, что они ведут начало от единого ВЕС. К сожалению, по прошествии времени интерференционная картина постепенно размывается. Удивительно, однако, было то, что хотя порядок и нарушался, он не терялся вовсе. Как раз в силу того, что совершенно неожиданно возникало некое переходное, промежуточное или пре-термализованное состояние.

Эксперименты проводятся, чтобы приблизить осуществление светлой мечты о создании квантового компьютера. Расчеты и хранение информации неминуемо будут приводить к нарушению равновесных состояний, которые будут достигать температурного равновесия. Оно-то в итоге, к сожалению, и разрушает квантовое состояние, или когерентность.

Новое открытие заинтересовало физиков, занимающихся изучением кварк-глюонной плазмы, возникшей непосредственно после Большого взрыва. Выяснилось, что некоторые ее части тоже стремятся к температурному равновесию, причем значительно быстрее, нежели думали ранее. Атомные облака дают физикам возможность изучать переходы от неравновесных к термальным состояниям. Возможно, что тем самым открывается новая перспектива изучения неравновесных состояний, которые широко распространены в природе.