Наблюдены коллективные осцилляции Блоха в одномерном бозе-газе

Движение магнитного солитона в атомном кольце и создание сверхтекучих токов. Автор: G. Brochier.

Осцилляции Блоха — это периодические колебания квантовых частиц в повторяющемся энергетическом «ландшафте» (например, в кристаллической решётке), на которые действует постоянная сила. Эти движения частиц были в центре многочисленных физических исследований, поскольку представляют собой интригующие квантовые эффекты, не предсказываемые теориями классической механики.

Экспериментальное исследование осцилляций Блоха может дать новое понимание фундаментальных свойств квантовой материи. До сих пор их в основном изучали на отдельных частицах или двухчастичных системах, в отличие от квантовых многочастичных систем, состоящих из нескольких частиц.

Исследователи из CNRS-ENS-PSL University и Университета Сорбонны сообщают о наблюдении коллективных осцилляций Блоха в одномерном бозе-газе — квантовой жидкости, состоящей из бозонов, частиц, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние.

Их статья, опубликованная в Nature Physics, демонстрирует, что эти широко изучаемые типы движений частиц также можно наблюдать в составных системах, открывая новые возможности для исследования многочастичных взаимодействий.

«Мотивация для проведения этого эксперимента возникла из обсуждения с коллегой Н. Павловым, который рассказал о недавней теоретической работе, выполненной им в сотрудничестве с командой А. Рекати в Тренто, Италия», — рассказал Phys.org Жером Беньон, старший автор статьи.

«Меня привлек этот проект по двум причинам. Предсказанное поведение является впечатляющим и очень контринтуитивным: если вы приложите постоянную и равномерную силу к изучаемому волновому пакету атомов, этот волновой пакет будет колебаться в пространстве. Хотя это хорошо известно (как осцилляции Блоха) в квантовой механике, когда одна частица движется в потенциале решётки (как электроны в твёрдых телах), это гораздо более удивительно для системы без решётки. Именно квантовая природа среды, в которой движется волновой пакет, является ключом к объяснению этого поведения».

В то время как теоретические физики обеспечили хорошее понимание многочастичных осцилляций Блоха, экспериментальная проверка их теорий часто оказывалась сложной задачей. В своей статье Беньон и его коллеги представляют новую экспериментальную платформу, которая позволяет реализовать коллективные осцилляции Блоха и, таким образом, может помочь проверить эти теории.

«Физическая система, которую мы использовали, представляет собой смесь двух компонентов ультрахолодных атомов», — пояснил Беньон. «Мы создаём волновой пакет одного из компонентов и изучаем его движение в среде, состоящей из другого компонента. Атомы удерживаются лазерными потенциалами, а внешняя сила, которую мы прикладываем к системе, является магнитной силой».

В созданной физической системе исследователям удалось наблюдать осцилляции Блоха с участием примерно 1000 частиц, чего ранее никогда не удавалось достичь. Это выдающееся достижение, учитывая, что осцилляции, о которых сообщалось в большинстве предыдущих работ, не были коллективными, а ограничивались одной или двумя частицами.

«Наше наблюдение — прекрасный пример, раскрывающий специфические свойства одномерных квантовых систем, в данном случае периодичность их дисперсионного соотношения», — сказал Беньон.

«Мы также расширили теоретическое исследование на случай атомов, движущихся в кольцевой геометрии, и показали взаимосвязь между осцилляциями Блоха и созданием квантованных сверхтекучих токов во время движения».

Новая работа Беньона и его коллег представляет новую перспективную экспериментальную платформу для изучения коллективных движений в сильно взаимодействующих квантовых системах. Будущие исследования физической системы, которую они изучили, или других подобных систем, могут улучшить текущее понимание многочастичных взаимодействий, а также позволят физикам проверить некоторые неподтверждённые теоретические предсказания.

«Волновой пакет, который мы изучали, представляет собой так называемый магнитный солитон», — добавил Беньон. «На практике это один пример более широкого семейства магнитных солитонов. Ожидается, что динамика более общих магнитных солитонов будет очень богатой, и мы планируем исследовать их в будущем».

Больше информации: F. Rabec et al, Bloch oscillations of a soliton in a one-dimensional quantum fluid, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02970-1.