Несмотря на то, что пока что разработка представляет собой чисто теоретическое изыскание, практические перспективы здесь столь громадны, что часть финансирования ее взяло на себя американское агентство оборонных разработок DARPA. В 2008 г. им были выбраны три команды ученых, перед которыми и была поставлена амбициозная задача: «уловить» атомы в «световом кристалле» оптической решетки.
Ледянее ледяного: Охлаждение в световом кристалле
Предложен способ охлаждать атомы почти до абсолютного нуля. Это позволит преодолеть одно из основных препятствий перед грандиозным научным открытием, которое может привести к разработке материалов с совершенно новыми свойствами.
Такой «кристалл» представляет собой трехмерную решетку, составленную из лазерных лучей, в каждой ячейке которой должен быть уловлен один (и только один) атом. Понятно, что такой решеткой — размерами и формой ячеек — довольно легко управлять. В результате разработчики получат в свое распоряжение замечательный, простой и эффективный инструмент для моделирования самых разных кристаллических веществ и создания новых, важный и для создания квантовых компьютеров будущего.
Срок окончания работ по первой фазе проекта военные назначили жесткий — июнь 2009 г. — но пока что ни одна из исследовательских групп не может похвастаться решительными успехами. Проблема в том, что ученым не удается получить атомы, охлажденные до достаточно низких температур: для этой задачи даже бозе-конденсат чересчур горяч.
Бозе-конденсат представляет собой особое состояние вещества, состоящего из частиц, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю. На таком холоде хаотическое движение частиц практически прекращается, и на первый план выступают законы квантового мира.
Бозе-конденсаты обладают массой поразительных свойств — например, сверхтекучестью (упрощенно говоря, если налить его в сосуд, он сам поднимется по его стенкам и «вытечет» наружу) — и были предсказаны еще Эйнштейном, исходя из работ Шатьендраната Бозе. Однако получить их в лаборатории сумели едва ли не сотню лет спустя — за что вскоре была вручена Нобелевская премия. Подробнее об этой «охоте за бозе-конденсатом» читайте в научно-популярном триллере «Холодный расчет».
Техника получения бозе-конденсата подразумевает охлаждение атомов с помощью лазера (в той же статье описано, какая хитрость позволяет использовать лазерный луч, чтобы не сжигать все подряд, а охлаждать определенную группу атомов). Первая низкая температура, которую удалось получить ученым для бозе-конденсата, составляет 170 нК —
И вот в апреле команда Тин Лунь Хо, занятая работой по заказу DARPA, представила возможный вариант решения этой проблемы. «Чтобы вся задача была решена, совершенно необходимо добиться чрезвычайно низких температур, — поясняет профессор Хо, — И хотя все три команды за время работы заметно продвинулись вперед, до сих пор именно невозможность добиться этих значений температуры не дает им добиться результата. Мы же выступили с первым предложением о том, как получить мощное снижение температуры».
Для этого Тин Лунь Хо предлагает использовать не бозоны (частицы с целым значением спина), как в бозе-конденсате, а фермионы (частицы с полуцелым спином). И если их нагреть (напомним, что температура представляет собой меру неупорядоченного (теплового) движения частиц), значения спинов фермионов будут распределяться хаотическим образом.
Но если взять фермионы в решетке лазерных лучей и постепенно повышать энергию излучения, будет достигнуто определенное пороговое значение, при котором фермионы начнут группироваться в ячейках упорядоченными парами. Фермионы в паре будут иметь противоположно направленные спины, которые взаимно уничтожат друг друга, фермионы придут в высоко упорядоченное состояние, и энергия будет выведена из системы. По расчетам Хо и его коллег, энергия эта передастся на внешние границы оптической решетки, где бозе-конденсат ее поглотит и испарится.
После этого мощность лазерных лучей можно снизить, ослабив «энергетическое давление» на частицы в оптической решетке и позволив им распределиться по ее ячейкам поодиночке — но уже охлажденными до невероятно низких температур.
«Это и есть стратегия "Разделяй и властвуй", — говорит Тин Лунь Хо. — "Разделяй" здесь означает — удали лишнее тепловое движение, энтропию из системы. "Властвуй" — избавься от энтропии окончательно, через испарение бозе-конденсата».
По пресс-релизу Ohio State University