При встрече облаков двух различных газов обычно они диффундируют, смешиваясь друг с другом. Тем не менее, исследователям из Массачусетского технологического института удалось создать облака ультраохлажденных газов, которые отталкиваются друг от друга – это первый пример наблюдения несмешивающихся облаков газовых облаков.

Несмотря на то, что в эксперименте участвовали газовые облака из атомов лития, охлажденных почти до абсолютного нуля, результаты исследования могут найти применение для интерпретации поведения похожих систем, которыми, например, являются нейтронные звезды. Высокотемпературные сверхпроводники и кварк-глюонная плазма – разогретая смесь элементарных частиц, образовавшаяся на начальных стадиях Большого Горячего взрыва.

Исследователи под руководством Мартина Цвирлайна (Martin Zwierlein) проводили эксперименты с изотопами лития, принадлежащими к классу фермионов. К фермионам также относятся все строительные блоки материи – электроны, протоны, нейтроны и кварки.

Два газовых облака (красное и синее) отталкиваются друг от друга в результате значительных квантово-механических взаимодействий. Такие газовые облака могут служить моделью материи, находящейся в исключительно жестких условиях – нейтронные звезды или кварк-глюонная плазма молодой вселенной. (Рисунок из Nature, 2011; 472 (7342))

Различные состояния фермионной материи отличаются друг от друга своей подвижностью. Например, электроны могут быть подвижны как в металле, практически неподвижны, как в изоляторе или перемещаться практически без сопротивления, как, например, в сверхпроводнике. Тем не менее, для ряда материалов, например, высокотемпературных сверхпроводников неизвестно, благодаря чему происходит индукция образования того или иного типа материи фермионами. Это особенно актуально для материалов, содержащих значительно взаимодействующие друг с другом фермионы – для таких материалов возрастает вероятность столкновения фермионов.

В проведенной работе исследователи хотели смоделировать сильно взаимодействующие системы. Для этого они решили заменить электроны газом, содержащим атомы лития. Изменение электронного состояния атомов лития с помощью магнитного поля позволяет заставить атомы взаимодействовать друг с другом настолько прочно, насколько это допускают законы природы; в таком состоянии сильно взаимодействующие между собой атомы могут просто отталкивать от себя атомы другого типа.

Для устранения влияния тепловых эффектов исследователи охладили газ до температуры, всего лишь на 50 миллиардов градусов отличающейся от абсолютного нуля. С помощью магнитного поля было получено два газовых облака – одно с положительным спиновым состоянием, другое – с отрицательным. Затем эти облака «столкнули» в оптической ловушке, образованной с помощью лазерной техники. Вместо смешения и диффузии, свойственных для обычных газов, облака отталкивались друг от друга. Со временем, конечно, диффузия все же протекала, фаза отталкивания длилась секунду или даже больше, что является чрезвычайно значительным временем для процессов, протекающих на микроскопическом уровне.

Проведённое исследование является частью программы, направленной на применение ультраохлажденных атомов в качестве модельных систем для изучения свойств более сложных материалов – высокотемпературных сверхпроводников и новых магнитных материалов. В будущем исследователи из группы Цвирлайна планируют использовать газ, содержащий атомы лития, для моделирования двумерного состояния электронов, в котором они существуют в высокотемпературных сверхпроводниках. Использованный в работе подход также может использоваться для моделирования таких объектов как нейтронные звезды, диаметр которых составляет несколько десятков километров, а масса превышает массу нашего Солнца или для моделирования состояния кварк-глюонной плазм, существовавшей в молодости нашей вселенной, образцы такой плазмы в настоящее время получают в коллайдерах, сталкивая атомные ядра с энергиями, эквивалентными тысячам миллиардов градусов.