PRL: ученые стабилизировали солитоны материи в решетке из лазерного света

Физики впервые осуществили создание и прямую регистрацию устойчивых ярких солитонов материи с притягивающим взаимодействием в рамках оптической решетки, представляющей собой периодическую структуру, формируемую лазерным излучением. Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters, что свидетельствует о высоком уровне значимости и научной новизне достигнутых результатов.

В контексте квантовой механики атомы, как правило, демонстрируют волновые свойства и подвержены диффузии в пространстве с течением времени. Солитоны, напротив, представляют собой уникальное явление: волновые пакеты, способные сохранять свою форму и не подвергаться рассеянию благодаря точному балансу взаимодействующих сил. Ранее создание таких структур в свободном пространстве было технически осуществимо, однако стабилизация солитонов в периодических световых структурах оставалась нерешенной задачей в области квантовой физики. В данном исследовании ученым удалось успешно стабилизировать солитоны посредством индуцирования притягивающего взаимодействия между атомами.

Экспериментальная процедура включала работу с облаком атомов цезия, предварительно охлажденных до экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю, и находящихся в состоянии бозе-эйнштейновского конденсата. Атомы были помещены в оптическую решетку, сформированную путем пересечения лазерных лучей, создающих регулярную структуру световых ловушек. Используя магнитные поля, исследователи осуществляли точную настройку притягивающего взаимодействия между атомами, что позволило достичь устойчивого состояния. При недостаточном уровне притяжения солитоны подвергались распаду, а при избыточном — система коллапсировала, что подчеркивает необходимость точного баланса сил для успешного формирования и стабилизации солитонов.

Для подтверждения образования солитонов был применен метод «аккордеонной» решетки, представляющий собой лазерную структуру с переменной дистанцией между узлами. Постепенное изменение шага решетки позволяло косвенно отслеживать поведение атомов, пропуская через систему резонансный лазерный свет и анализируя его поглощение. Этот метод позволил установить наличие устойчивых солитонных кластеров в исследуемой системе.

В процессе эксперимента были выявлены два типа состояний: в первом случае атомы концентрировались в одном узле решетки, во втором — распределялись по нескольким узлам, при этом сохраняя единое связанное состояние. Примечательно, что эти структуры демонстрировали устойчивость на протяжении почти полусекунды, что представляет собой значительный временной интервал в контексте квантовых экспериментов и свидетельствует о высокой степени стабильности сформированных солитонов.

Авторы исследования подчеркивают, что достигнутый уровень контроля над волнами материи открывает новые перспективы для изучения нелинейных квантовых состояний в оптических решетках. В долгосрочной перспективе это может привести к разработке более стабильных квантовых сенсоров и методов передачи квантовой информации без утраты ее характеристик. Таким образом, данное исследование не только расширяет теоретические представления о солитонах и их поведении в периодических структурах, но и закладывает основу для практических приложений в области квантовой технологии.