Хоча ми живемо у світі постійного руху, фізики переважно зосереджують свою увагу на системах у стані рівноваги або близьких до стану рівноваги. Протягом минулих десятиліть, однак, інтерес до нерівноважних систем зріс. Його, зокрема, підштовхнули досягнення в квантовій механіці, які дедалі більше перетворюють її з фундаментальної науки на практичну технологію. Тому перед фізиками постало важливе запитання: яким принципам підкоряються нерівноважні квантові системи? Такі автори, як Prüfer et al., Eigen et al., та Erme et al. повідомляють у Nature про експерименти, які дозволяють частково відповісти на нього. Їхні дослідження вперше доводять, що ультрахолодні атомні середовища, далекі від рівноважного стану, демонструють властивість універсальності, в якій вимірювані експериментальні параметри стають незалежними від мікроскопічних деталей.


 

Дослідники використали газ із атомів рубідію або калію, який охолодили до температури, близької до абсолютного нуля. При дуже низьких температурах ці атоми перебувають у квантовому стані, який називається конденсатом Бозе-Ейнштейна. Далі вони різко змінили параметри системи — процес, який називається “струшуванням”. Нагадуючи мультиплікаційного персонажа, який раптом усвідомлює, що опинився над прірвою, струшування ініціює процес, далекий від рівноважного стану.

Такі струшування неважко собі уявити. В голову, однак, не вкладається те, що стається згодом. Подумайте про всі змінні, які можуть бути пов’язані з такими експериментами: коливання енергії лазерів, варіації температури лабораторії, мікроскопічні деталі атомних взаємодій тощо. Вчені виявили, що динаміка експериментальних зразків — попри те, що атоми у них були далекі від рівноважного стану, — не залежала від усіх цих змінних.

Eigen et al. досягнули цієї універсальності, ретельно усуваючи всі змінні у своєму експерименті, окрім двох — густини атомного газу та довжини розсіювання. Другий параметр описує, наскільки атоми можуть наближатися один до одного, не взаємодіючи. Далі автори експерименту зробили ще один крок уперед і усунули залежність довжини розсіювання від цих змінних.

Щоб отримати вихідний конденсат, автори надали довжині розсіювання значення “0”, тобто за допомогою магнітного поля “вимкнули” взаємодії між атомами. Згодом вони “струсили” довжину розсіювання до безконечності — знову використавши магнітне поле. Якщо густину газу збільшити, наприклад, у вісім разів, то простір між атомами зросте вдвічі. Якщо збільшити масштаб атомної системи на ці дві величини, то вона буде точно такою самою, як і перед тим, як її густину збільшили, адже довжини розсіювання при значеннях “0” та “∞“ не змінилися.

Змінюючи густину газу, Eigen та колеги спостерегли, що експериментальна динаміка не залежить від густини після масштабування як часу, так і простору. Вони також змінили температуру й встановили, що принцип універсальності діє і тоді, коли враховується ще одна змінна, а саме масштаб довжини, при якому газ виявляє квантово-механічну поведінку.

Prüfer et al. виявили зовсім іншу форму універсальності. Ззовні експерименти двох груп здаються дуже різними. Erme та колеги розпочали із тривимірного газу, який у результаті струшування стає одновимірним, і проаналізували густину газу як функцію часу і простору. Prüfer et al. дослідили його властивості тільки в одному вимірі, коли струшування змінює спіни атомів. Але результати, до яких прийшли дві команди, навдивовижу схожі: універсальність, яку вони спостерігають, зумовлена явищем, який вони називають нетермальною фіксованою точною (non-thermal fixed point).

Разом ці дослідження роблять великий крок у розумінні динаміки нерівноважних квантових систем. Однак розуміння принципу універсальності ще далеке від повного. Без відповіді, зокрема, залишаються питання про те, якими є можливі класи нетермальних фіксованих точок? Що настає при екстремально високих чи низьких енергетичних рівнях? Якщо на ці питання вдасться відповісти, то, можливо, нерівноважні квантові системи займуть таке ж місце в лексиконі фізиків, як і рівноважні.

Michael Kolodrubetz
Quenching our thirst for universality
Nature, 7.11.2018
Зреферував Є. Л.