Есть у древнегреческого комедиографа Аристофана строчка, которую редко вспоминают в физических лабораториях: «Не насладится муж, когда жене не любо наслажденье». Но если вдуматься, она удивительно точно описывает ситуацию, с которой столкнулись экспериментаторы из Объединённого квантового института в США. Они пытались заставить вращаться конденсат Бозе-Эйнштейна — экзотическое состояние вещества, где квантовые эффекты видны невооружённым, в общем-то, глазом. И, судя по первым результатам, конденсат «согласился» на это вращение лишь тогда, когда условия стали для него по-настоящему комфортными.

Как поймать миллиард атомов и не расплескать

Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) — штука капризная. Чтобы его получить, атомы нужно охладить до температур, рядом с которыми даже космический холод покажется тропической жарой. На сей раз учёные взяли более миллиарда атомов натрия и поместили их в магнитную ловушку. Но просто поймать частицы мало — дальше начинается настоящая хирургия.

Атомы перевели в оптическую ловушку — хитроумное перекрестье двух лазерных пучков, «цилиндрического» и «плоского». Представьте себе световой загон, где стенки — это сам свет. Большинство атомов натрия, разогретых до высокой температуры, быстро сбежали из этой ловушки. Но несколько сотен тысяч остались — самые холодные, самые медленные, те, кому хватило энергии лишь на то, чтобы затаиться в перекрестье лучей.

Дальше — главный трюк. Атомы охладили до температуры в 10 нанокельвинов. Это в миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля. И вот тогда, когда тепловое движение практически замерло, началось формирование конденсата Бозе-Эйнштейна. Вещество перешло в состояние, где все атомы ведут себя как одна гигантская квантовая волна.

Тороид, который не хотел вращаться

Но учёным нужен был не просто БЭК, а вращающийся БЭК. Для этого конденсату с помощью лазерного излучения придали форму тороида — этакого бублика из сверххолодных атомов. А затем попытались раскрутить этот бублик, сообщив ему угловой момент дополнительными лазерными пучками.

И вот тут начинается самое интересное. Физические параметры конденсата Бозе-Эйнштейна, как выяснилось, окончательно проявляются лишь после того, как он выходит на свободу — когда ловушку отключают. Если вращения нет, то характерное «отверстие» в центре тороида, область с пониженной плотностью, исчезает почти мгновенно. А если вращение есть — отверстие сохраняется.

В ходе эксперимента это отверстие регистрировалось ещё продолжительное время после отключения ловушки. Именно это дало физикам право говорить: да, мы заставили конденсат вращаться. Он принял навязанный ему угловой момент и не сбросил его сразу, как только исчезли удерживающие лучи.

Барьер, который ускоряет

Но одной констатации вращения учёным показалось мало. Они провели ещё одно исследование — изучили, насколько стабильна циркуляция атомов в таком вращающемся БЭК. Для этого внутри конденсата создали барьер из лазерного луча. По сути, поставили световую стенку на пути атомного потока.

Результат оказался именно таким, как предсказывала теория: в районе барьера скорость локального движения атомов возрастала, а локальная плотность падала. Атомы, словно вода в сужающемся русле, ускорялись там, где им перекрывали путь. Это подтверждало, что вращение БЭК — не хаотическое мельтешение, а упорядоченное течение, подчиняющееся законам квантовой гидродинамики.

Что дальше?

Пока физики из Объединённого квантового института не раскрывают всех деталей. Ожидается, что подробное описание хода эксперимента появится в американских научных журналах. Но уже сейчас ясно: управление вращением конденсата Бозе-Эйнштейна — это не просто изящный лабораторный фокус. Вращающиеся БЭК могут стать моделью для изучения сверхтекучести, квантовых вихрей и даже аналогов чёрных дыр в лабораторных условиях.

А фраза Аристофана здесь, пожалуй, к месту. Физики, как заботливые супруги из античной комедии, поняли: чтобы система «насладилась» вращением, нужно создать ей подходящие условия. И тогда даже миллиард непокорных атомов натрия согласится кружиться в световой ловушке, подчиняясь квантовым законам.