Новости науки 18.10.01 За что же дана Нобелевская Премия по физике за 2001 год?

От редакции: поместив краткое сообщение о Нобелевской премии по физике, мы попросили прокомментировать его сотрудников группы В.С.Летохова из Института спектроскопии РАН, чьи работы имеют непосредственное отношение к методике премированных исследований. Мы все еще надеемся получить данный комментарий, а пока публикуем сообщение И.Иванова, относящееся скорей к значению, чем к методике нобелевского цикла

9 октября 2001 года Королевская Шведская Академия Наук присудила Нобелевскую Примию по физике Эрику Корнеллу, Вольфгангу Кеттерле и Карлу Виману за достижение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах щелочных металлов и за ранние исследования свойств конденсата (см. его перевод на русский).

Это сообщение, вкупе с переводом официального пресс-релиза, появилось во многих научных новостных агентствах. В кратких сообщениях, однако, не объясняется, почему лауреаты в самом деле достойны такой награды. Да, достигли, да, изучили, но разве мало в физике открытий и достижений? Чем же исследования Нобелевских лауреатов превосходят "рядовые" открытия?

Нобелевская Премия дается за эпохальные достижения, за работы, которые породили новые ветви физики, открыли двери десяткам направлений исследований. В этой заметке я хочу показать, что эти слова в самой полной мере относятся к оригинальным экспериментам Э. Корнелла, В. Кеттерле, К. Вимана и их сотрудников.

Конечно же, самой первой заслугой этих ученых является то, что они сумели поставить филигранный эксперимент и получить бозе-конденсат атомов щелочных металлов (оригинальные публикации: M.H.Anderson et al., Science 269, 198 (1995) и W.Ketterle et al., Phys.Rev.Lett. 75, 3969 (1995)). Интересно, что многие из ключевых инженерных идей по методике охлаждения газов были разработаны ранее С.Чу, К. Кон-Танноуджи и В.Филлипсом, за что те и получили Нобелевскую Премию не так давно, в 1997 году.

Но это было только началом истории. Получить конденсат - это только полдела; его еще надо "сфотографировать". А неразрушающее наблюдение за бозе-конденсатом - задача нетривиальная: ведь бозе-конденсаты имеют право носить "звание" самого хрупкого объекта, созданного человеком. Методика таких наблюдений также была развита и описана в работах лауреатов.

Чтобы представить себе, как экспериментаторы могут воздействовать на столь "нежные" объекты, не разрушая их, взгляните, например, на работы лауреатов (M.R.Matthews et al., Phys.Rev.Lett.83, 2498 (1999) и C.Raman et al., Phys.Rev.Lett.83, 2502 (1999)). Суть этих двух работ состоит в том, что искусственно приготовленные "объекты" (в одном случае вихрь, а в другом -- просто пустая полость) двигались сквозь конденсат. Наблюдая отсутствие трения при таком движении, авторы наглядно продемонстрировали сверхтекучие свойства полученных конденсатов. Подробное и популярное изложение этих работ можно найти в статье "Эксперименты с бозе-эйнштейновским конденсатом".

Какие же новые ветви физики породили оригинальные работы лауреатов?

Одним из ключевых направлений исследования бозе-конденсатов, возникших после их работ, явилось наблюдение, изучение и использование макроскопической квантовой когерентности во всем объеме конденсата. Пионерскими здесь были исследования 1997 года, когда группа, возглавляемая Вольфгангом Кеттерле, получила изображения интерференционных полос, возникающих при перекрытии двух половинок одного конденсата (M.R.Andrews et al., Science 275, 637 (1997)). Эти "снимки" бозе-конденсата (которые, по сути, тоже являются примером аккуратного, неразрушающего наблюдения за конденсатом) явно свидетельствуют о том, что изначально все части газового облака находились в фазово-когерентном квантовом состоянии.

Интересно, что эти, казалось бы, чисто фундаментальные исследования скоро принесут свои первые плоды в прикладной физике и, возможно, даже в "народном хозяйстве". Речь идет о так называемых "атомных лазерах": устройствах, способных испускать атомный пучок, квантово-когерентный по всему объему, наподобие того, как обычные, "фотонные лазеры" производят когерентный пучок фотонов. Принцип их действия очень прост: сначала в ловушке создается бозе-конденсат, а затем он под действием гравитационного притяжения "падает" вниз.

Первая демонстрация работы атомного лазера была дана опять же В.Кеттерле и его сотрудниками. В работе 1997 года (M.-O.Mewes et al., Phys.Rev.Lett. 78, 582 (1997)) они показали, как именно надо воздействовать на конденсат, чтобы из него стал "выливаться" пучок атомов.

Всего за несколько лет атомные лазеры превратились из гипотетических устройств во вполне работоспособные установки. Одно из последних достижений в этой области - атомный лазер непрерывного действия с длительностью импульса 0.1 секунды (I.Bloch, T.W.Haensch and T.Esslinger, Phys.Rev.Lett. 82, 3008 (1999)).

По-видимому, через несколько лет сверх-узкий, монохроматичный, ультра-яркий, стабильный и полностью когерентный пучок вещества будет стандартным прибором исследований во многих лабораториях мира. Уже сейчас фронт исследований переместился из ранга proof-of-concept экспериментов в постепенное инженерное совершенствование установок (например, смотрите нашу заметку о создании атомных оптических элементов).

Подробнее об атомных лазерах читайте в популярной статье А.В.Горохова Атомные конденсаты и атомный лазер - новый вид когерентного вещества.

Другим принципиально важным свойством бозе-конденсатов разреженных газов является их "настраиваемость". Действительно, атомный газ, находящийся в обычном состоянии, имеет вполне определенные микроскопические свойства: атомы взаимодействуют друг с другом по вполне определенному закону. В противоположность этому, характер межатомного взаимодействия в сконденсировавшемся облаке можно кардинально менять. Варьируя внешнее магнитное поле, экспериментаторы могут даже заменить притяжение между атомами на отталкивание!

Более того, в момент изменения типа межатомного взаимодействия длина рассеяния атомов становится столь большой, что атомы образуют молекулы даже в сверхразреженном газе (имеет место так называемый резонанс Фешбаха). В результате, имея бозе-конденсат атомов, мы можем с помощью магнитного поля определенной напряженности заставить часть атомов объединиться в молекулы. Таким образом, мы можем получить двойной конденсат: конденсат атомов и конденсат молекул, которые взаимопроникают друг в друга и находятся в динамическом равновесии.

Вдумайтесь только - какой ученый не мечтал заполучить вещество, столь послушно меняющее свои химические свойства!

Но и это не все. Оказывается, резкое переключение межатомного отталкивания на притяжение приводит к коллапсу и последующему взрыву конденсата (см. работы S.L.Cornish, Phys.Rev.Lett.85, 1795 (2000) и R.A.Duine and H.T.C.Stoof, Phys.Rev.Lett.86, 2204 (2001) и нашу статью Коллапс и взрыв бозе-эйнштейновского конденсата). Напрашивается аналогия со взрывом сверхновой, и что самое забавное, эта аналогия вовсе не так безосновательна.

Другая деятельность в этом неожиданном "астрофизическом" направлении заключается в создании "черной дыры" в бозе-конденсате: объекте, способном втягивать внутрь себя падающие звуковые волны. Такой объект пока не реализован в эксперименте, однако из-за многообещающих перспектив исследования продолжаются. Читайте подробнее в популярной статье Космические катастрофы... в лаборатории.

В последнее время экспериментаторы с помощью периодического потенциала научились получать одно- и двумерные массивы бозе-конденсатов (M.Greiner et al., Phys. Rev. A63, 031401 (2001); M.Greiner et al., Phys.Rev.Lett.87, 160405 (2001)). Оказалось, что такие системы обладают своими необычными свойствами и могут помочь в изучении... магнитных свойств вещества!

И еще один немаловажный факт, иллюстрирующий ценность работ Нобелевских лауреатов: методика охлаждения разреженных газов до температур, при которых квантовые эффекты становятся доминирующими, была перенята, адаптирована и успешно применена при охлаждении газа фермионов. Подробности читайте в оригинальной работе B.DeMarco and D.S.Jin, Science 285, 1703 и в популярной статье Вырожденный фермионный газ при сверхнизких температурах.

перейти к началу страницы