Новости науки 07.06.02. Элементарные возбуждения бозе-конденсата и компьютерная томография

"Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать" - схожим принципом руководствуются не только обычные люди, но и ученые, предпочитающие исследовать явление непосредственно, а не судить о нем по косвенным признакам. Группе ученых из Израиля удалось непосредственно определить импульс и энергию элементарных возбуждений бозе- конденсата, используя для обработки изображений атомного облака компьютерную томографию.

Рис.1. Возбуждение фононов в бозе-конденсате с помощью двух лазерных лучей (схема из работы [1])."Сигарообразная"форма атомного облака связана с геометрией ловушки.

Одной из особенностей бозе-конденсата является линейный, а не параболический закон дисперсии элементарных возбуждений (для достаточно низкоэнергетичных возбуждений); с линейностью закона дисперсии связано явление сверхтекучести. Сами (длинноволновые) элементарные возбуждения являются многочастичными возбуждениями (фононами - см. об этом в нашей новости ), а высокоэнергетичные возбуждения - просто свободные частицы (атомы).

Существует стандартная методика методика возбуждения в бозе-конденсате фононов с заданным импульсом - с помощью двухфотонного вынужденного комбинационного рассеяния света. Фононы возбуждаются двумя пересекающимися под углом лазерными лучами (рис.1), слегка отстроенными по частоте от одного из оптических переходов атома бозе-конденсата. Различие частот этих лазерных лучей (w на рисунке; эта величина на несколько порядков меньше величины"отстройки" от частоты атомного оптического перехода) определяет импульс возбуждаемых квазичастиц: фотон, поглощенный из одного луча, переизлучается в другой, при этом происходит возбуждение фонона с импульсом q в конденсате ( рис.1). При выключении ловушки квазичастицы превращаются в свободные частицы и эти атомы, обладающие большей энергией, покидают"основное" атомное облако и, таким образом, происходит естественное выделение этой части атомов, что дает возможность (в том числе и применяя различные ухищрения - см. новость от 26.02.02 ), исследовать возбуждения бозе-конденсата.

Получить изображение атомных облаков, наблюдая резонансное поглощение света, легко, однако такая фотография не дает представления о трехмерном распределении атомной плотности. Для восстановления этой информации по одному изображению исследователи из Вейцмановского института применили компьютерную томографию [2]. В их экспериментах в бозе-конденсате атомов ⁸⁷Ru ( примерно 10⁵ атомов) с помощью стандартной методики возбуждались фононы; через 38 мс после выключения ловушки получалось изображение атомных облаков, которые обрабатывались с помощью компьютерной томографии (при обработке использовалась только исходная цилиндрическая симметрия атомного облака). Также обрабатывалось изображение невозбужденного бозе-конденсата, полученное через 38 мс после выключения ловушки. Восстановив трехмерную атомную плотность, ученые получили возможность непосредственно определить энергию и импульс, переданные при возбуждении бозе-конденсату (для этого не требовалось привлекать никаких дополнительных сведений типа разности частот двух лазерных лучей). Меняя w , исследователи смогли напрямую промерить закон дисперсии для элементарных возбуждений (рис.2).

Рис.2. Закон дисперсии для фононов (кружки - экспериментальные данные, сплошная линия - теоретически предсказанный закон дисперсии, пунктиром для сравнения показан параболический закон дисперсии для свободных частиц).

Сам по себе экспериментальный результат (линейный закон дисперсии), хотя и получен практически напрямую, все же не является новым, но применение компьютерной томографии для исследования бозе-конденсата, безусловно, может оказаться весьма перспективным - он может позволить определять распределение атомной плотности в самых различных случаях, например, для разных типов возбуждений бозе-конденсата, при интерференции двух кондесатов и т.д.

1. D.M.Stamper-Kurn, A.P.Chikkatur, A. Goerlitz et al. Phys.Rev.Lett., v.83, 2876 (1999).

2. Roee Ozeri, Jeff Steinhauer, Nadav Katz, and Nir Davidson. Phys.Rev.Lett., v.88, 220401 (2002).

перейти к началу страницы