В бoзe-кoндeнсaтe aтoмoв рубидия-87 мoжнo нaблюдaть oднoврeмeннoe вoзбуждeниe гoлдстoунoвскoй и xиггсoвскoй мoды кoлeбaний, xoтя oбычнo oднa из этиx мoд бывaeт пoдaвлeнa. Этo пoкaзaли физики из Институтa квaнтoвoй элeктрoники (Швeйцaрия), стaтья исслeдoвaтeлeй oпубликoвaнa в Science.
Кoллeктивныe вoзбуждeния изучaются вo мнoгиx oблaстяx физики. Нaпримeр, в физикe элeмeнтaрныx чaстиц тaкиe вoзбуждeния oтвeчaют рeaльным чaстицaм (пиoнaм или кaoнaм), в физикe твeрдoгo тeлa — квaзичaстицaм (фoнoнaм или мaгнoнaм). Вaжную рoль в вoзникнoвeнии тaкиx вoзбуждeний игрaeт прoцeсс спoнтaннoгo нaрушeния симмeтрии.
Для нaчaлa рaзбeрeмся, чтo тaкoe спoнтaннoe нaрушeниe симмeтрии. Рaссмoтрим систeму, кoтoрую мoжнo oписaть с пoмoщью нeкoтoрoгo кoмплeкснoгo числa α (тo eсть скaлярнoгo кoмплeкснoгo пoля). Из этoгo числa можно выделить амплитуду |α| и фазу φ, то есть представить его в виде α = |α|eiφ. Кроме того, предположим, что взаимодействие в системе описывается эффективным потенциалом V, который зависит только от модуля числа и от двух произвольных вещественных параметров r и g: V(α) = r|α|2 + g|α|4.
Если оба параметра положительны, потенциал имеет единственный минимум (случай A, «обычная фаза»), и симметрия сохраняется. Грубо говоря, все возбуждения нужно отсчитывать от дна ямки, причем неважно, в какую сторону. Если же один из параметров будет положителен (g > 0), а другой отрицателен (r < 0), потенциал становится похож на мексиканскую шляпу (случай B, «упорядоченная фаза»). Теперь минимум энергии достигается сразу во всех точках окружности. Но для описания возбуждений нам нужно выбрать какую-то одну из них, и как только мы это сделаем, мы нарушим симметрию модели. Это и есть спонтанное нарушение симметрии.
Потенциал типа «ямка» (слева) и типа «мексиканская шляпа» (справа). T. Esslinger et. al. / Science
Заметим, что в этой теории возможно сразу два типа колебаний поля. С одной стороны, шарик, помещенный в потенциал типа «мексиканская шляпа», может кататься вдоль круга — это отвечает изменению фазы, но сохранению амплитуды поля (синие стрелочки на рисунке). С другой стороны, он может колебаться в потенциале вверх-вниз, и тут все строго наоборот: фаза сохраняется, зато меняется амплитуда (черные стрелочки на рисунке). Возбуждение первого типа называется голдстоуновской модой (безмассовым голдстоуновским бозоном), возбуждение второго типа — хиггсовской модой (или массивным голдстоуновским бозоном).
В идеальной ситуации обе моды должны существовать одновременно, однако на деле зарегистрировать сразу оба типа колебаний практически невозможно. Например, в случае массивных частиц подавление голдстоуновской моды происходит из-за механизма Андерсона-Хиггса. Поэтому до сих пор ученые наблюдали хиггсовскую и голдстоуновскую моду только по отдельности.
В данной статье группе физиков под руководством Тильмана Эсслинджера (Tilman Esslinger) впервые удалось увидеть сразу обе моды в одном и том же веществе — в бозе-эйнштейновском конденсате атомов рубидия-87. Для удержания и охлаждения атомов ученые использовали два перекрывающихся лазерных пучка (резонатора). Частота пучков была подобрана таким образом, что атомы образовали твердую кристаллическую структуру. Симметрию установки экспериментаторы нарушили с помощью стоячей световой волны с длиной около 785 нанометров и переменной интенсивностью.
Схема экспериментальной установки. T. Esslinger et. al. / Science
Затем ученые дополнительно светили на кристалл фотонами, чтобы возбудить в нем колебания, и следили за возбуждениями с помощью брэгговской спектроскопии. Проще говоря, они смотрели, как кристалл искажает световые лучи, проходящие через него. В результате оказалось, что до определенной величины силы, разрушающей симметрию, существует только «обычная» фаза, которая отвечает потенциалу с одним минимумом. Однако при дальнейшем увеличении воздействия в спектре возбуждений появляется две ветви, одна из которых отвечает голдстоуновской моде, а вторая — хиггсовской.
Зависимость частоты возбуждений в кристалле от величины силы, вызывающей асимметрию. Кружками отмечены колебания в «нормальной фазе», квадратами и треугольниками — в «упорядоченной». Серым отмечены теоретические предсказания. T. Esslinger et. al. / Science
Чтобы убедиться в том, что это действительно две различных моды, исследователи измерили, как зависит от времени число фотонов, пойманных в разные резонаторы и отвечающих разным частотам колебаний. Для хиггсовской моды эти числа должны быть скоррелированы, для голдстоуновской моды — антискоррелированы (то есть там, где у одной зависимости максимум, у другой — минимум). В самом деле, так и оказалось.
Зависимость от времени числа фотонов в первом и втором резонаторе (красный и желтый цвета). Сверху приведен случай хиггсовской моды, внизу — голдстоуновской. T. Esslinger et. al. / Science
Таким образом, ученые показали, что в бозе-конденсате атомов рубидия-87 при определенных условиях действительно возникало сразу два типа колебаний.
Примерами голдстоуновских бозонов являются фононы и магноны, возникающие в сверхпроводнике в результате спонтанного нарушения симметрии теории БКШ. Прочитать, какую роль в образовании сверхпроводимости играют эти квазичастицы, можно в нашем материале.
Автор: Дмитрий Трунин
