Вечные квантовые волны

Солитоны — это одиночные волны, которые проходят длинные расстояния, не теряя формы и не затухая.

Эти постоянные волны достаточно экзотичны, однако ученые полагают, что существует еще один вид солитонов, еще более удивительный.

Новый солитон, который исследователи ожидают обнаружить в некоторых определенных типах ультрахолодных газов, не будет всего лишь низкотемпературной атомной диковиной. С его помощью ученые надеются проникнуть в суть других физических систем, включая раннюю вселенную.

Солитоны могут быть повсюду. В 1830-х шотландский ученый Джон Скотт Рассел сначала идентифицировал их во время верховой езды вдоль узкого канала, где он заметил, что водная волна сохраняет форму на долгие расстояния.

Это «исключительное и прекрасное» явление, как Рассел охарактеризовал его, наблюдалось, создавалось искусственно и эксплуатировалось во многих системах, включая световые волны в оптико-волоконной связи, проходящие сквозь атомные кристаллы вибрационные волны, и даже «атомные волны» в Бозе-Эйнштейновых конденсатах — ультрахолодном состоянии вещества.

Атомы в таких конденсатах могут объединиться и сформировать одиночные большие волны, которые проходят сквозь газ. Атомные волны могут распадаться, смешиваться друг с другом и уравновешивать друг друга. В конденсатах со слабо взаимодействующими атомами это привело бы к появлению так называемых «темных солитонов» — долговременных волн, обнаруживающих отсутствие атомов, и «ярких солитонов», которые транспортируют фактическую материю.

Теперь с учетом новой гипотезы ученые прогнозируют существование еще одной разновидности, более экзотической — «бессмертных» солитонов, чего не удавалось заметить до сих пор ни в одной физической системе. Этот новый вид может сформироваться в Бозе-Эйнштейновых конденсатах, состоящих из «твердоядерных бозонов» — атомов, которые с силой отталкивают друг друга и потому интенсивно взаимодействуют в пределах структуры, известной под названием оптической решетки.

В 1990 году один из соавторов исследования Радха Балакришна из института математических наук в Индии математически описала эти новые солитоны, но она полагала, что ее работа — это приблизительное описание процессов в Бозе-Эйнштейновых конденсатах, состоящих из интенсивно взаимодействующих газовых атомов.

Недавно ученые поняли, что уравнения Балакришна обеспечивают практически точное описание Бозе-Эйнштейновых конденсатов с интенсивно взаимодействующими атомами, и что этот ранее неизвестный тип солитона действительно может существовать.

И если все ранее известные солитоны в итоге затухают, когда скорость волны приближается к скорости звука, новый солитон, сохранив амплитуду даже на скорости звука, выжил бы.

Если такой «бессмертный» солитон можно будет создать намеренно, он сможет помочь исследовать поведение интенсивно взаимодействующих квантовых систем, компоненты-участники которых включают жаростойкие сверхпроводники и магниты.

Поскольку атомы в Бозе-Эйнштейновых конденсатах представляют фазовое превращение (как вода превращается в лед), новый солитон может также служить важным инструментом для лучшего понимания фазовых превращений, в том числе и тех, которые имели место в ранней вселенной, когда она расширялась и вслед за тем охлаждалась.

20.12.2009