Чтобы сформулировать эффективные теории в физике, микроскопические детали отложены в пользу макроскопически наблюдаемых величин. Чашку с водой можно описать такими свойствами, как давление, температура и плотность жидкости, тогда как положение и скорость отдельных молекул воды не имеют значения. Фазовый переход описывает изменение макроскопической системы из одного состояния вещества, например жидкости, в другое состояние вещества, например, в газообразном состоянии.
Свойства макроскопических систем – так называемых систем многих тел – можно охарактеризовать как эмерджентные, поскольку они возникают в результате взаимодействия отдельных компонентов, которые сами по себе не обладают этими свойствами.
«Меня давно интересовало, как это драматическое макроскопическое изменение при фазовом переходе вытекает из микроскопического описания», – заявляет Селим Йочим.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи разработали эксперимент, в котором они собрали систему из отдельных ультрахолодных атомов. Используя этот квантовый симулятор, они исследовали, как коллективное поведение возникает в микроскопической системе. С этой целью они захватили до двенадцати атомов сильно сфокусированным лазерным лучом. В этой искусственной системе можно непрерывно настраивать силу взаимодействия между атомами от невзаимодействия до самой большой шкалы энергии в системе. «С одной стороны, количество частиц в системе достаточно мало, чтобы описать систему микроскопически.
С другой стороны, коллективные эффекты уже очевидны », – объясняет Лука Байха, постдок в проф. Команда Йочима.
В своем эксперименте физики из Гейдельберга сконфигурировали квантовый симулятор так, что атомы притягиваются друг к другу, и, если притяжение достаточно сильное, образуют пары. Эти пары атомов являются необходимым ингредиентом для фазового перехода в сверхтекучее состояние – состояние, в котором частицы текут без трения.
Текущие эксперименты были сосредоточены на том, когда образование пар возникает в зависимости от силы взаимодействия и числа частиц. «Удивительным результатом нашего эксперимента является то, что только шесть атомов демонстрируют все признаки фазового перехода, ожидаемого для системы многих частиц», – добавляет Марвин Холтен, докторант в проф. Группа Йохима.