„Kwantowe tornada” oznaczają przejście od fizyki klasycznej do kwantowej

Wszechświatem rządzą dwa zestawy pozornie niekompatybilnych praw fizyki – jest fizyka klasyczna, do której przywykliśmy w naszej skali, oraz upiorny świat fizyki kwantowej w skali atomowej.

Wizualizacja tworzenia się „tornad kwantowych”
Przejście chmury atomów od klasycznej struktury „igieł” (po lewej) do serii „kwantowych tornad” (po prawej)

Fizycy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaobserwowali teraz moment, w którym atomy przechodzą z jednego świata fizyki do drugiego, tworząc intrygujące „kwantowe tornada”. Rzeczy, które wydają się niemożliwe dla naszego codziennego rozumienia świata, są całkowicie możliwe w fizyce kwantowej. Cząstki mogą zasadniczo istnieć w wielu miejscach jednocześnie, na przykład tunelować przez bariery lub natychmiast udostępniać informacje na ogromne odległości.

Te i inne dziwne zjawiska mogą powstawać, gdy cząstki wchodzą ze sobą w interakcje, ale frustrujące jest to, że nadrzędny świat fizyki klasycznej może przeszkadzać i utrudniać badanie tych delikatnych interakcji. Jednym ze sposobów wzmocnienia efektów kwantowych jest schłodzenie atomów do ułamka powyżej zera absolutnego, tworząc stan skupienia zwany kondensatem Bosego-Einsteina (BEC, z ang. Bose-Einstein Condensate), który może wykazywać właściwości kwantowe w większej, widocznej skali.

W przypadku nowego badania zespół MIT właśnie to zrobił, aby zbadać tak zwany kwantowy płyn Halla. Ten dziwny rodzaj materii składa się z chmur elektronów uwięzionych w polach magnetycznych, które zaczynają ze sobą oddziaływać w niezwykły sposób, wywołując efekty kwantowe. Zamiast elektronów, które zbyt trudno jest wyraźnie zobaczyć w tym układzie, naukowcy stworzyli BEC z około miliona ultrazimnych atomów sodu.

Pomyśleliśmy, żeby te zimne atomy zachowywały się tak, jakby były elektronami w polu magnetycznym, i abyśmy mogli to dokładnie kontrolować – mówi Martin Zwierlein, autor badania. Wtedy możemy zwizualizować, co robią poszczególne atomy i sprawdzić, czy przestrzegają tej samej fizyki kwantowo-mechanicznej.

Zespół umieścił tę chmurę atomów w pułapce elektromagnetycznej, a następnie obrócił ją z prędkością 100 obrotów na sekundę. Chmura rozciągnęła się w kształt długiej igły, która stawała się coraz cieńsza i cieńsza – i wtedy atomy przeszły w zachowanie kwantowe.

Struktura igły najpierw zaczęła się wyginać w przód iw tył jak wąż w ruchu, a następnie rozpadła się na dyskretne segmenty. Wciąż wirujące segmenty utworzyły dziwny krystaliczny wzór, który zespół opisał jako ciąg kwantowych tornad. To zachowanie jest całkowicie regulowane przez interakcje między atomami i może mieć pewne intrygujące implikacje dla mechaniki kwantowej i klasycznej.

Ta ewolucja łączy się z ideą, w jaki sposób motyl w Chinach może wywołać tu burzę z powodu niestabilności, która wywołuje turbulencje, mówi Zwierlein. Tutaj mamy pogodę kwantową: płyn, z powodu niestabilności kwantowej, rozpada się na tę krystaliczną strukturę mniejszych chmur i wirów. Przełomem jest możliwość bezpośredniego zobaczenia tych efektów kwantowych.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature.

➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!

źródło: MIT | New Atlas