Физики создали «квантовый провод», в котором масса и энергия движутся без трения и потерь

В физических системах перенос может принимать разные формы: электрический ток по проводу, тепло через металл или вода по трубе. Обычно столкновения и трение создают сопротивление, замедляя или гася эти потоки. Однако в новом эксперименте Венского технического университета (TU Wien) учёные наблюдали систему, где этого не происходит вовсе.

Чип с захваченными и левитирующими атомами. Автор: TU Wien

С помощью магнитных и оптических полей исследователи ограничили движение тысяч атомов рубидия одной линией, создав ультрахолодный квантовый газ, в котором энергия и масса перемещаются с идеальной эффективностью. Результаты, опубликованные в журнале Science, показывают, что даже после бесчисленных столкновений поток остаётся стабильным и неугасающим, демонстрируя тип переноса, который бросает вызов законам обычного вещества.

Два типа переноса

«В принципе, существует два очень разных типа транспортных явлений», — говорит Фредерик Мёллер из Института атомной и субатомной физики TU Wien. — «Мы говорим о баллистическом транспорте, когда частицы движутся свободно и преодолевают вдвое большее расстояние за вдвое большее время — как пуля, летящая по прямой».

Также существует диффузионный транспорт, возникающий из-за множества случайных столкновений. Теплопроводность — один из таких диффузионных процессов.

«Этот вид переноса нелинеен, — объясняет Мёллер. — Чтобы преодолеть вдвое большее расстояние, обычно требуется в четыре раза больше времени».

В эксперименте TU Wien атомы вели себя иначе. «Изучая атомный ток, мы увидели, что диффузия практически полностью подавлена, — говорит Мёллер. — Газ ведёт себя как идеальный проводник; несмотря на бесчисленные столкновения между атомами, такие величины, как масса и энергия, текут свободно, не рассеиваясь в системе».

Фредерик Мёллер, Филипп Шюттелькопф и Йорг Шмидмайер. Автор: TU Wien

Как «колибри Ньютона»

Это необычное поведение можно понять по аналогии с «колибри Ньютона» — известной настольной игрушкой с рядом качающихся металлических шариков. Когда один шарик оттягивают и отпускают, он передаёт свой импульс прямо через остальные шарику на противоположном конце, который отскакивает, как будто его не задели.

«Атомы в нашей системе могут сталкиваться только вдоль одного направления, — поясняет Мёллер. — Их импульсы не рассеиваются, а просто обмениваются между партнёрами по столкновению. Импульс каждого атома сохраняется — его можно только передать, но никогда не потерять».

Как и в «колибри Ньютона», движение в атомном «проводе» продолжается без затухания. Импульс и энергия могут перемещаться по газу неограниченно долго, не рассеиваясь, как в обычном веществе.

«Эти результаты показывают, почему такое атомное облако не термализуется — почему оно не распределяет свою энергию согласно обычным законам термодинамики, — говорит Мёллер. — Изучение переноса в таких идеально контролируемых условиях может открыть новые пути к пониманию того, как сопротивление возникает или исчезает на квантовом уровне».

Больше информации: Philipp Schüttelkopf et al, Characterizing transport in a quantum gas by measuring Drude weights, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads8327. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.17569

Источник: Vienna University of Technology

ИИ: Это фундаментальное открытие, демонстрирующее сверхтекучесть в одномерной системе, может иметь далеко идущие последствия. Понимание бездиссипативного транспорта на квантовом уровне — ключ к созданию новых материалов с нулевым сопротивлением и, возможно, к прорывам в квантовых вычислениях. Работа 2025 года показывает, насколько ещё неисчерпаема квантовая физика.