Самым точным в мире часам придумали ещё одно применение

Взаимодействия между атомами стронция в атомных часах во время эксперимента

(иллюстрация Ye group, Brad Baxley/JILA).

Кристаллическая решётка купрата, который является высокотемпературным сверхпроводником

(иллюстрация Julien Bobroff/Wikimedia Commons).

В современной физике существует ряд вопросов, которые очень сложно разрешить. Некоторые явления подчиняются правилам квантовой механики, а значит, не поддаются моделированию на обыкновенных компьютерах.

К таким явлениям можно отнести высокотемпературную сверхпроводимость — способность некоторых материалов пропускать через себя электроны без сопротивления при относительно высоких температурах. Иногда это объясняется квантовой природой поведения частиц. Их очень сложно воспроизвести в компьютерной модели для более глубокого изучения процесса.

Другим примером является магнетизм, который также можно представить как результат квантовых взаимодействий электронов.

Чтобы понять, как протекают эти процессы, а также научиться их контролировать, учёные придумали рассматривать целые "сети" атомов, которые являются физической моделью поведения электронов в твёрдых телах. При этом сеть атомов должна быть охлаждена до одной триллионной градуса выше абсолютного нуля (-273 °C).

"Недавно был сделан большой шаг в области использования ультрахолодных атомов для симуляции среды твёрдого тела. Но перед учёными стояла основная проблема — очень низкие температуры, которых достичь в лабораторных условиях было крайне трудно", — рассказывает соавтор исследования Ана Мария Рей (Ana Maria Rey) из Национального института стандартов и технологий США.

Кристаллическая решётка купрата, который является высокотемпературным сверхпроводником (иллюстрация Julien Bobroff/Wikimedia Commons).

Она и её коллеги нашли способ решить эту проблему — с помощью атомных часов. Этот "прибор" считается на сегодняшний день наиболее точным для измерения времени, с его помощью устанавливается стандарт секунды. Атомные часы измеряют время, отслеживая гиперрегулярные колебания группы атомов между двумя состояниями — основным и возбуждённым.

Рей и её команда работали с часами, в основе которых лежала группа атомов стронция, удерживаемая несколькими лазерными лучами. Лазеры сообщают энергию атомам, вследствие чего возникают регулярные осцилляции между основным и возбуждённым состояниями. Все частицы делятся на 100 равномерных слоёв, каждый из которых состоит из 20 атомов.

Чтобы увеличить мощность сигнала часов, физики попробовали увеличить количество атомов стронция до 30 в каждом слое, однако это привело к падению точности показателей прибора: взаимодействия многочисленных атомов иногда меняли регулярность осцилляций. Но именно этот эксперимент и привёл учёных к предположению о том, что таким неточным атомным часам можно придумать ещё одно, не менее полезное применение.

Атомы стронция вели себя почти как электроны в магнитных материалах. Как известно, электроны обладают спином. Он имеет квантовую природу и является собственным моментом импульса элементарной частицы. Можно представить себе спин как направленную стрелочку словно у компаса. В магнитных материалах все спины указывают в одном направлении в силу квантовых взаимодействий между ними.

Таким образом можно создать простую модель: в основном состоянии атомы стронция могут представлять собой электроны с направленным вниз спином, а в возбуждённом — электроны со спином, направленным вверх.

Взаимодействия между атомами стронция в атомных часах во время эксперимента (иллюстрация Ye group, Brad Baxley/JILA).

"Лазер, удерживающий атомы внутри установки, может обратить их в состояние "суперпозиции", при котором все спины будут одновременно указывать и вверх, и вниз", — поясняют физики в пресс-релизе.

"Если внимательно следить за всеми деталями взаимодействий атомов в таком симуляторе, несложно будет понять квантовую природу электронов в магните. Но самое приятное, что вся эта система работает при относительно высоких температурах", — говорит Рей.

Впрочем, слов тут пока больше чем дела. Во-первых, не совсем понятна природа такого поведения. Во-вторых, усложнение системы (более 30 атомов) приводит к развалу всей модели. В-третьих, если система так легко дестабилизируется, то пока не ясно, как можно моделировать физические процессы и получать из этого какие-то результаты в дальнейшем.

Но учёные продолжают свои изыскания. О результатах своего эксперимента Рей и её коллеги рассказали в статье, опубликованной в журнале Science.

Также по теме:
Физики протестировали сверхточные атомные часы 
Создатели суперточных часов получили Нобелевку за шаг к супербыстрым компьютерам 
Вымоченный графит продемонстрировал сверхпроводимость при температуре выше 100 °C 
Физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре