В мире привычной нам физики транспорт описывает, как что-либо – будь то электрический заряд, тепло или масса – перемещается из одного места в другое. Заряд течет по проводам, тепло распространяется по металлу, а вода движется по трубам. В каждом случае ученые могут измерить, насколько легко происходит это движение. Однако в обычных условиях этот процесс замедляется трением и столкновениями, что создает сопротивление, ослабляющее и в конечном итоге останавливающее поток. Но исследователи из Венского технического университета (TU Wien) смогли продемонстрировать редчайшее исключение, зафиксировав физическую систему, в которой транспорт не ослабевает со временем.
Команда ученых использовала комбинацию магнитных и оптических полей, чтобы «запереть» тысячи атомов рубидия в одномерном пространстве, позволив им двигаться только вдоль одной прямой линии. В результате был создан ультрахолодный квантовый газ, в котором и энергия, и масса перемещаются с идеальной эффективностью. Как сообщается в журнале «Science», поток остается стабильным и неизменным даже после бесчисленных столкновений между атомами. Это открытие демонстрирует форму транспорта, которая кардинально отличается от всего, что мы наблюдаем в обычном мире.
«В принципе, существует два совершенно разных типа транспортных явлений», – объясняет Фредерик Мёллер из Атомного института при TU Wien. – «Мы говорим о баллистическом транспорте, когда частицы движутся свободно и за удвоенное время преодолевают удвоенное расстояние – как пуля, летящая по прямой». Второй тип известен как диффузный транспорт, где движение определяется случайными столкновениями. Классическим примером является теплопроводность: когда более теплые частицы взаимодействуют с более холодными, энергия и импульс постепенно перераспределяются до тех пор, пока температура не выровняется по всей системе. «Такой вид транспорта нелинеен, – добавляет Мёллер. – Чтобы покрыть вдвое большее расстояние, вам обычно требуется в четыре раза больше времени».
Поведение, наблюдаемое в эксперименте венских ученых, не соответствовало ни одной из этих знакомых моделей. Вместо того чтобы рассеиваться в результате диффузии, поток атомов оставался четко очерченным. «Изучая атомарный ток, мы увидели, что диффузия практически полностью подавлена, – говорит Мёллер. – Газ ведет себя как идеальный проводник; хотя между атомами происходит бесчисленное количество столкновений, такие величины, как масса и энергия, текут свободно, не рассеиваясь в системе».
Исследователи объясняют этот эффект с помощью аналогии с «колыбелью Ньютона» – настольным устройством с рядом подвешенных металлических шариков. Когда один крайний шарик отпускают, его импульс проходит через весь ряд и заставляет качнуться шарик на противоположном конце, в то время как остальные остаются почти неподвижными. «Атомы в нашей системе могут сталкиваться только в одном направлении, – поясняет Мёллер. – Их импульсы не рассеиваются, а просто обмениваются между партнерами по столкновению. Импульс каждого атома сохраняется – он может быть только передан дальше, но никогда не потерян».
Как и в колыбели Ньютона, движение в этой атомарной системе продолжается без затухания. Энергия и импульс путешествуют сквозь газ неопределенно долго, вместо того чтобы рассеиваться в виде тепла, что происходит в большинстве материалов. «Эти результаты показывают, почему такое атомарное облако не термализуется – то есть не распределяет свою энергию в соответствии с обычными законами термодинамики», – заключает Мёллер. Изучение транспорта в столь идеально контролируемых условиях может открыть новые пути к пониманию того, как сопротивление возникает или, наоборот, исчезает на квантовом уровне.
