Одним из наиболее интересных и важных в практическом отношении явлений, обусловленных Бозе-конденсацией, является сверхпроводимость. В связи с этим значительные усилия направлены сейчас на то, чтобы получить Бозе-конденсаты из двухатомных молекул. Важным шагом на пути к достижению этого результата является работа ученых из Хьюстона.

Сверхпроводимость обусловлена сверхтекучестью электронной жидкости, а сверхтекучесть, в свою очередь, связана с Бозе-конденсацией. Поскольку электроны являются фермионами, то, на первый взгляд, сверхтекучесть в электронной системе не может иметь места. Однако в реальности существуют механизмы, обеспечивающие образование электронных “куперовских пар”, которые являются уже бозонами, в результате чего и становится возможным переход материала в сверхпроводящее состояние пар (о механизме сверхпроводимости см. в нашей новости). Хотя микроскопическая теория сверхпроводимости, хорошо описывающая традиционные низкотемпературные сверхпроводники, создана уже около пятидесяти лет назад, удовлетворительное теоретическое описание высокотемпературных сверхпроводников до сих пор отсутствует.

Одна из возможностей лучше понять явление сверхпроводимости - это исследование Бозе- конденсации двухатомных молекул, состоящих из атомов-фермионов: при наличии притяжения между атомами в охлажденном до сверхнизких температур газе могут образовываться двухатомные “молекулы”, которые подобны электронным куперовским парам в сверхпроводниках. Проведению таких экспериментов благоприятствует тот факт, что существует возможность контролируемым образом менять характер взаимодействия между атомами (причем менять можно не только силу взаимодействия, но даже и его характер). Такая возможность ценна в том отношении, что, изменяя величину магнитного поля, можно переходить от режима слабо связанных пар атомов (что соответствует классической модели сверхпроводимости Бардина, Купера и Шриффера (БКШ) ) к режиму сильно связанных пар.

Для наблюдения Бозе-конденсации молекул, состоящих из атомов-фермионов, удобнее всего использовать ⁶Li и ⁴⁰K. В начале этого года удалось получить из ультрахолодного атомного газа ⁴⁰K ультрахолодный молекулярный газ, однако времена жизни молекул (порядка 1 мс) были недостаточны для наблюдения Бозе-конденсации молекул. И вот совсем недавно ученым из Rice University (Хьюстон, штат Техас) удалось получить ультрахолодный газ молекул ⁶Li₂ со временем жизни порядка одной секунды [1], что может оказаться достаточным для охлаждения газа путем откачки паров и наблюдения Бозе-конденсации молекул.

Начав с охлаждения смеси бозонов ⁷Li (10¹⁰ атомов в состоянии |F = 2, m_F = 2>) и фермионов ⁶Li (10⁹ атомов в состоянии |F = 3/2, m_F = 3/2>) в магнитной ловушке, исследователи получили около 10⁸ атомов ⁶Li при температуре 0.1 T_F (это на сегодняшний день наибольшее число атомов-фермионов, охлажденное до температуры ниже температуры Ферми). Для управления межатомным взаимодействием нужно работать с атомами, находящимися в двух различных состояниях сверхтонкого расщепления (|F = 1/2, m_F = 1/2> и |F = 1/2, m_F = -1/2>), что не позволяет использовать магнитную ловушку. Поэтому атомы были перемещены в оптическую ловушку (про оптические ловушки см., например, в нашей новости), после чего атомы ⁷Li были удалены из ловушки с помощью резонансного оптического возбуждения лазерным импульсом.

Далее исследователи микроволновым импульсом переводили атомы в состояние |F = 1/2, m_F = 1/2>, а затем при помощи радиочастотного поля создавали смесь атомов в двух требуемых состояниях. По оценке ученых, в каждом из двух состояний находилось порядка 3 10⁵ атомов, а температура газа составляла около 0.1 T_F (140 нК). Для управления взаимодействием атомов использовался узкий резонанс Фешбаха вблизи 543 Гс (при прохождении резонанса меняется знак и сила взаимодействия между атомами) – понижая магнитное поле от 549 Гс и проходя через резонанс, ученые делали выгодным формирование двухатомных молекул ⁶Li₂.

Эксперименты показали, что после прохождения резонанса порядка 50 % атомов объединяются в молекулы, причем времена жизни молекул в ловушке близки к секунде. Столь большие времена жизни дают надежду, что скоро удастся наблюдать сверхтекучесть в Ферми-газе за счет Бозе-конденсации двухатомных молекул, и откроется возможность экспериментировать с атомными “куперовскими парами” (молекулами), меняя силу взаимодействия между компонентами пары в широких пределах.

1. Kevin E.Strecker, Gutrie B.Partigde, and Randall. G.Hullet. Phys.Rev.Lett., v.91, 080406 (2003).

Е.Онищенко