fian-inform

Switch to desktop Register Login

В двумерной системе обнаружен резонанс Хиггса

    Физики из Института квантовой оптики им. М. Планка, Университета Гарварда и Калифорнийского технологического института экспериментально установили существование резонанса Хиггса в холодных атомах вблизи фазового перехода. Один из участников проекта, приглашённый докладчик Российского Квантового Центра, профессор факультета физики Гарвардского университета Евгений Демлер рассказал об исследованиях с использованием холодных атомов, выступив в преддверии открытия с докладом в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

 

    Ультрахолодные атомы и оптические решётки сегодня считаются одним из наиболее перспективных инструментов в квантовом моделировании и изучении сверхпроводимости. С помощью моделей с сильно уменьшенными энергиями (до пико- и микрокельвинов) они позволяют имитировать высокотемпературную сверхпроводимость.

 

    Евгений Демлер: «Замечательно в этих холодных атомах то, что мы можем делать модели, которые точно реализуемы в фермионных моделях атомов. И хотя все эффекты измерить пока не удаётся, мы точно знаем, что в этой системе есть модель Хаббарда – это простейшая модель, описывающая взаимодействие частиц в кристаллической решётке и переход между проводящим и диэлектрическим состоянием. Связи между фермионами в ней упрощены до очень локального уровня: просто есть квадратная решётка и фермионы «бегают» из одного узла в другой». Эта модель призвана помочь в изучении причин высокотемпературной сверхпроводимости.

 

    На этот раз в центре внимания учёных оказалось явление, которое играет ключевую роль в фазовом переходе – спонтанное нарушение симметрии. Оно возникает, например, когда магниты в ферромагнитном материале самопроизвольно ориентируются в одном направлении при охлаждении до температуры Кюри. В случае возбуждения системы в ней могут возникнуть коллективные колебания, при которых частицы будут двигаться согласованно. Если коллективное движение происходит в соответствии с принципами теории относительности (точнее, её «эффективной» части, в которой скорость света заменяется скоростью звука, что приводит к существенно более медленной динамике), то возможно появление особого колебания – так называемого резонанса Хиггса. В Стандартной модели, описывающей взаимодействие всех известных частиц, ему соответствует широко обсуждаемый в последнее время бозон Хиггса. Одноимённое возбуждение может появляться и в твердотельных системах, если коллективное движение частиц подчиняется законам теории относительности.

    Основная сложность состоит в том, что, как и в физике элементарных частиц, в твердотельных системах резонанс Хиггса быстро затухает до уровня низкоэнергетических возбуждений и поэтому с трудом поддаётся детектированию. Особенно короткий срок жизни он имеет в системах с небольшим числом измерений. До недавнего времени физики и вовсе сомневались в самой возможности обнаружения резонанса в таких структурах. Теперь учёным удалось экспериментально распознать колебание в двумерной системе, причём его существование установлено при крайне низких температурах, в то время как обычно это явление наблюдается на уровне максимальных температур – такие условия создаются, например, в экспериментах Большого Адронного Коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.

 

demler
Экспериментальный прибор в Институте квантовой оптики им. М.Планка –
«оптический стол» с лазерами для охлаждения атомов и оптические и электрооптические
элементы, регулирующие параметры лазерных лучей

 

    Всего исследователи охладили около 500 атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и поместили их в оптическую решётку, которая образована из лазерных лучей, пересекающихся под прямым углом. Холодные атомы в ячейках решётки позволили смоделировать различные состояния вещества.

 

    Рассказывает Евгений Демлер: «При углублении отсеков, которое достигается с помощью более интенсивного лазерного света, развивается высокоупорядоченное состояние, известное как «диэлектрик Мотта», – материал такого типа не проводит электричество из-за сильного межэлектронного взаимодействия. В этом случае охлаждённые атомы занимают фиксированное положение в ячейках. При уменьшении глубины ячеек происходит фазовый переход, и вещество превращается в сверхтекучую жидкость».

 

    При этом атомы получают возможность беспрепятственно рассредоточиваться и становятся частью квантово-механической волны, которая распространяется на всю решётку (из-за двумерности её можно сравнить с кожей барабана). Когда равновесие единой квантовой системы нарушается, коллективные колебания могут образовать колебание особого типа  «резонанс Хиггса», который аналогичен вибрации барабанной кожи при ударе.

    Исследователи настроили параметры двумерной системы таким образом, что квантовый газ оказался близок к фазовому переходу между диэлектриком Мотта и сверхтекучей жидкостью. Затем глубину ячеек стали изменять на короткое время (порядка нескольких миллисекунд); плавность и непродолжительность модуляции была важна для того, чтобы избежать побочных эффектов и распознать нужный резонанс. С помощью разработанного группой  высокочувствительного метода, который позволяет измерять температуру с точностью до одной миллиардной кельвина, учёные обнаружили небольшие пики в распределении температур при определённых значениях частот модуляции. Повышение температуры объясняется тем, что система поглощает больше энергии, когда частота модуляции яркости совпадает с частотой колебания в хиггсовом поле и резонансы образуются более интенсивно.

    Результаты наблюдений могут быть использованы для исследования хиггсова поля в концепциях, рассматривающих системы с более высоким числом измерений, например, в теории струн. В теоретическом виде точную форму резонанса Хиггса на данный момент вычислить невозможно (хотя его теоретическое описание проще, чем в случае с бозоном Хиггса на БАК): препятствием вновь служит сильное затухание колебания. Сейчас физики сконцентрированы на обосновании принципа детектирования резонанса.

 

О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»

24.01.2013

ФИАН - Информ © 2012 | All rights reserved.

Top Desktop version