Получено описание туннельных переходов бозонов

Получено описание туннельных переходов бозонов Группа из двух исследователей университета Хайдэльберга разработали модель, которая позволяет лучше понять происходящие процессы в эксперименте с ультрахолодными атомами. Используя компьютерные методы, профессор Сандро Вимбергер и Дэвид Фишер из института Теоретической физики обнаружили физические закономерности, которые указывают на универсальный свойства исследуемой системы. Их результаты были опубликованы в журнале Annalen def Physik. При определенных условиях маленькие частицы подчиняются совершенно иным физическим законам, чем те, к которым мы привыкли в обыденной жизни. «Однако, наблюдение за такими квантовыми явлениями иногда затруднено и требует работы с малыми и изолированными системами. Но идеальная изоляция от окружающей среды никогда не возможна, поэтому внешние воздействия могут легко разрушить хрупкое состояние квантовой системы», - объяснил автор исследования Дэвид Фишер, студент кафедры физики в университете Хайдэльберга. Для экспериментов в этой области большой интерес представляет собой как раз таки сохранение, контроль состояния квантовой системы. «Этот контроль позволяет нам не только обеспечить согласованность системы, но и выборочно ее использовать для создания особых условий», - рассказал профессор Вимбергер. В ряде экспериментов оказалось, что ультрахолодные атомы, заполненные так называемыми потенциальными ямами, являются подходящими объектами для проведения тестов. Специальная конфигурация лазера используется для создания потенциальной ямы, которая блокирует тем самым атомы в небольшой области. Если несколько таких ям сближаются достаточно на маленькое расстояние, то атомы могут протуннелировать из одной области в другую (протуннелировать сквозь сам потенциальный барьер). По словам физиков, атомы захвачены потенциальными ямами, но могут перемещаться из одной ямы в другую. Температура атомов, которая только чуть выше абсолютного нуля при -273,15 градусов Цельсия, благоприятствует этому квантово-механическому поведению. При разработке своей модельной системы Дэвид Фишер и Сандро Вимбергер воспроизвели эксперимент, проведенный в техническом университете Кайзерслаутерна. Там исследовалось поведение холодных атомов в цепочке из потенциальных ям. Исследователи заполнили цепочку атомами, не заполнив при этом серединную яму и наблюдали, как она будет заполняться атомами из других ям. «Результаты этого исследования показывают, что декогеренция, то есть внешнее воздействие на квантовую систему, играет критическую роль в процессе измерения. Что остается неясным это то, какие процессы используются квантовой системой для взаимодействия со средой», - рассказал Дэвид Фишер. В компьютерном моделировании процесса эксперимента исследователи опробовали различные гипотезы и выяснили, какие процессы действительно повлияли на поведение модельной системы. Между прочим, они заметили, что время, требуемое для наполнения ямы, варьировалось в зависимости от параметров самой системы. Эта продолжительность соответствует степенному закону, в зависимости от скорости декогеренции, определенной исследователями. «В физике это часто является признаком универсального поведения системы, который справедлив для всех масштабов, что упрощает общую проблему», - утверждает профессор Вимбергер. Пояснения к изображениям: На изображении (57_1) показано схематическое представление процесса заполнения областей: атомы (желтые шарики) из внешних потенциальных ям перемещаются в среднюю ямы, направление перемещения показано красной стрелкой. На изображении (57_2, Figure 1) показана модель, состоящая из четырех мод, две из которых представляют собой «землю» 1 и возбужденное состояние 2 центральной ямы. Атомы туннелируют между модами 0 и 3 в изначальную яму - «землю» 1, соединяясь как с основной, так и с возбужденной модой, соответственно. Эффективность таких переход уменьшается из-за разницы в химическом потенциале для основного состояния и коэффициента уменьшения η < 1 для возбужденного состояния атома. В то время как модели I и II принимают только фазовые шумы в ямах (не показаны), модель III предполагает некогерентную связь между основным и возбужденными состояниями в центральной яме посредством соответствующих процессов релаксации и возбуждения, нарисованные волнистыми линиями. На изображении (57_3, Figure 2) показана модель сглаживания шума. Для модели I: нормализованное заполнение основного состояния центральной ямы f(t) для различных значений шума: k = 0,1 (черные круги), 0,025 (синие квадраты), 0,01 (красные ромбы), 0,005 (оранжевые полосы), 0,001 (зеленые треугольники). Все кривые распределения являются результатом усреднения по ~ 100 траекториям. Сплошные линии соответствуют данные полученным с помощью уравнения (10) (см. приложение 57). Символы на вкладках отображают параметр подгонки f_inf в зависимости от амплитуды шума k. (a) для установки на рисунке 1 с двумя модами в центральной яме; (b) только для основной моды в центральной яме. На изображении (57_4, Figure 3) символы показывают масштабирование времени итеративного заполнения ям в зависимости от уровня шума по отношению к распределению данных из рисунка 2. (а) для двух мод в центральной яме; (b) из рисунка 2 (b) для одной моды в центральной яме. На изображении (57_5, Figure 4) показано распределение локального фазового шума, для модели II: нормализованное заполнение основного режима центральной ямы f(t) для k = 0,1 (зеленые треугольники), 0,25 (оранжевые плюсы), 0,5 (красные ромбы), 1 (синие квадраты), 1,25 (черные круги). Сплошные линии соответствуют сглаженным данным уравнения (10) для высоких значений шума, во время насыщения сигнала. На вкладке показано время повторного заполнения tau (черные треугольники), в зависимости от уровня шума со степенной зависимостью, заданной пунктирной линией. На изображении (57_6, Figure 5) показаны распределения для некогерентного режима для модели III: нормализованное сглаживание f(t) для следующих пар: (γ↑, γ↓) = (0,01, 0,05) (черные кружки), (0,025, 0,25) (красные квадраты) , (0,05, 0,5) (оранжевые треугольники), (0,02, 3) (зеленые ромбы) и (0,3, 4,5) (голубые плюсы). Сплошные линии соответствуют подгонки согласно уравнению (10). На вставке показаны времена заполнения и суммарной скорости заполнения: γ_tot = γ↓ + γ↑ (треугольники) со степенным соответствием (пунктирная линия, установленная до γ_tot = 1). На изображении (57_7, Figure 6) (а) показано окончательно заполнение ям с помощью параметра подгонки f_inf (для визуального представления данных) как функция отношения γ↓/γ↑. Мы видим насыщение для γ↓/γ↑ >= 10 при значения, близких к единице. (b) график с цветным наложением для f_inf как функция γ↑ и γ↓. Как и предполагалось, основной уровень 1 существенно заполняется если γ↓ преобладает, когда γ↑ > = γ↓. Источник: https://phys.org/news/2017-04-quantum-physical.html #КФ #квантовая_физика #квантовая_механика #туннелирование #потенциальная_яма #бозон #ультрахолодные_атомы #теоретическая_физика