Фізики спостерігають помилковий розпад вакууму в феромагнітній надплинній рідині – Physics World

Фізики спостерігають помилковий розпад вакууму в феромагнітній надплинній рідині – Physics World

Мітка часу: 12 лютого 2024 9:35

Зображення художника, на якому показано надтекучу спінову суміш атомів натрію в стані помилкового вакууму (синій) і її розпад до стану справжнього вакууму (червоний)
Бульбання: у лабораторії квантових газів у Тренто команда створила надтекучу спінову суміш атомів натрію в стані помилкового вакууму (синій) і спостерігала та вивчала її розпад до стану справжнього вакууму (червоний) через утворення спінових бульбашок. (З дозволу: Г. Лампорезі, А. Рекаті та А. Зенесіні)

Італійські фізики вперше спостерігали явище, відоме як розпад хибного вакууму. Робота, виконана в феромагнітній надплинній рідині, покращує наше розуміння феромагнітних фазових переходів і може пролити більше світла на стабільність раннього Всесвіту.

Деякі типи квантових систем мають стани метастабільного (хибного) вакууму, а також стан абсолютного основного (істинного) вакууму. Ці стани представляють різні конфігурації квантового поля, і поле може розпадатися від стану помилкового вакууму до справжнього. Коли це відбувається, утворюються локалізовані макроскопічні області справжнього вакууму – бульбашки, оточені плямами фальшивого вакууму.

«Такий механізм спочатку обговорювався в контексті космології для вивчення стабільності нашого Всесвіту, який може бути в стабільній або метастабільній конфігурації», — пояснює Габріеле Феррарі, фізик в Університет Тренто, Італія, який керував дослідженням разом з Джакомо Лампорезі, Алессіо Рекаті та Алессандро Зенесіні в Пітаєвський центр BEC, CNR-INO в Тренто, Італія. «Вважається, що вакуумний розпад відіграє важливу роль у створенні простору, часу та матерії під час Великого вибуху».

Спонтанно створені бульбашки

У новій роботі в Пітаєвський БЕК Центр команда використовувала атоми натрію з феромагнітним основним станом, щоб дослідити хибний вакуумний розпад у квантовій системі багатьох тіл. Команда підготувала цю систему, утримуючи атоми в оптичній пастці та охолоджуючи їх до температури нижче ніж мікрокельвін вище абсолютного нуля, де вони утворюють феромагнітну надплинну рідину.

«Ми підготували систему в метастабільному стані, в якому надплинна рідина поляризована в протилежному напрямку відносно прикладеного магнітного поля», — пояснює Лампорезі. «Через деякий час ми побачили, що система спонтанно генерувала бульбашки в макроскопічних областях, узгоджених з магнітним полем».

Працюючи з теоретиками в Університет Ньюкасла, Великобританія, далі команда показала, що ці бульбашки були, за словами Рекаті, «першим експериментальним доказом механізму хибного розпаду вакууму на макроскопічному квантовому полі».

Далі дослідники виміряли зв’язок між середнім часом розпаду бульбашок і експериментально настроюваними параметрами, такими як різниця енергії між істинним і помилковим вакуумними станами (яка змінюється залежно від прикладеного магнітного поля через ефект Зеемана). Вони виявили, що малі варіації призводять до великих змін у часі розпаду. «Наші результати показують дуже хорошу узгодженість з прогнозами тунельної (інстантонної) моделі теорії поля, таким чином підтверджуючи хибне походження вакуумного розпаду нашої системи», — розповідає Лампорезі. Світ фізики.

Технічне досягнення

Результати цих експериментів описані в Фізика природи, і Лампорезі підкреслює, що отримати їх було технічно складно. Серед інших факторів зовнішнє магнітне поле повинно бути надзвичайно стабільним, щоб зберегти спінову когерентність надплинної системи. Щоб досягти необхідної стабільності, команді довелося встановити магнітний екран навколо ультрахолодного атомарного газу – складне завдання, враховуючи, що їм потрібно було отримати доступ до системи за допомогою лазерних променів, щоб маніпулювати атомами.

Хоча дослідники проаналізували, скільки часу потрібно для утворення бульбашок, це лише перший крок. Тепер вони планують дослідити динаміку бульбашок у контрольованому середовищі, щоб зрозуміти природу росту бульбашок.

«Іншим важливим кроком буде збільшення ефективної розмірності системи від квазіодновимірної, як у цьому дослідженні, де теоретичний аналіз легший, до двовимірної, де виникають такі цікаві явища, як зіткнення бульбашок і злиття, – каже Зенесіні. «Багато особливостей зародження та динаміки бульбашок вивчалися теоретично в контексті космології, де експерименти ще недоступні. Однак вони також дуже актуальні для спільноти конденсованих середовищ, оскільки вони пов’язані з квантовою феромагнітною динамікою, яку можна спостерігати експериментально – як ми продемонстрували в нашій роботі».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики