Новости науки 22.03.01. Коллапс и взрыв бозе-эйнштейновского конденсата

Известно, что система бозонов при низких температурах переходит в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. Менее известно, что при некоторых условиях это состояние может оказаться нестабильным: конденсат может коллапсировать. В недавних экспериментах было обнаружено, что коллапс конденсата существует и, что удивительно, сопровождается выбросом струй атомов. Непонятное вначале, это явление теперь объяснено.

Еще в 1996 году, сразу после первых успешных экспериментов по наблюдению бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах щелочных металлов, Эдуардом Шуряком в работе [E.V.Shuryak, Phys.Rev.A 54, 3151 (1996)] было показано, что в случае притягивающего взаимодействия между атомами конденсата будет происходить его коллапс: неконтролируемое сжатие с последующим разогревом, разрушением конденсации и взрывом. Впрочем, для макроскопической системы такое предсказание было известно уже давно; заслуга Шуряка в том, что он показал, что коллапс будет происходить в условиях эксперимента, то есть при конечном числе частиц и в течение конечного времени.

Коллапс в бозе конденсате был экспериментально обнаружен лишь совсем недавно [S.L.Cornish, Phys.Rev.Lett. 85, 1795 (2000)] в парах поляризованного ⁸⁵Rb. В этой работе было сделано удивительное наблюдение: коллапс конденсата сопровождается выбросом струй атомов. Интересно, что эти струи были не слишком энергетичные (они оставались внутри магнитной ловушки), но зато захватывали значительную долю конденсата.

Первоначально, механизм возникновения этих струй не был ясен. Теория Шуряка была описательная, динамику коллапса она проследить не могла. Однако с появлением работы голландских ученых [R.A.Duine and H.T.C.Stoof, Phys.Rev.Lett. 86, 2204 (2001)] ситуация, по-видимому, прояснилась.

Эволюция со временем радиального и аксиального размеров коллапсирующего конденсата

Авторы изучили детальную динамику коллапса и выяснили, что его можно описать как бы протекающим в неком эффективном потенциале. Параметры этого потенциала определялись как свойствами самой ловушки, так и взаимодействием между частицами конденсата, из-за чего он получался анизотропным. Именно благодаря этой анизотропии сжатие в одном направлении происходило быстрее, чем в другом, и такой же эффект возникал при последующем расширении конденсата. Промоделировав явление численно в условиях цилиндрической ловушки, авторы убедились, что динамика сжатия-расширения вдоль оси ловушки происходит иначе, чем в перпендикурярной ей плоскости. Это видно на Рисунке, где показана зависимость радиального и аксиального размеров облака атомов как функция времени. Образование струй заметно невооруженным глазом.

В заключении хочется провести интересную параллель между такими, казалось бы, не связанными друг с другом явлениями, как коллапс бозе конденсата и взрыв сверхновых. Разумеется, аналогия эта чисто зрительная -- и там, и тут сначала происходит сжатие, а потом взрыв. Физические явления, приводящие к этим процессам, различны. Тем не менее, возможно в этой аналогии есть и рациональное зерно: ведь математические законы, описывающие оба процесса, в принципе, похожи, а потому могут приводить в одинаковым закономерностям. Поэтому, по-видимому, не так уж и безосновательны надежды на то, что опыты в лаборатории смогут ответить на некоторые вопросы, касающиеся и взрывов звезд.

перейти к началу страницы