Нашият ежедневен свят, в който живеем, се управлява от класическата физика. Начинът, по който се движим и колко бързо го правим, както и къде се намираме, се определя от класическото предположение, че можем да съществуваме само на едно място в определен момент от времето.
Но в квантовия свят поведението на отделните атоми се управлява от странния принцип, че местоположението на частицата е вероятностно. Един атом например има определена вероятност да бъде на едно място и друга вероятност да бъде на друго място, в едно и също време.
Когато частиците взаимодействат, чисто като следствие от тези квантови ефекти, се получават множество странни явления. Но наблюдаването на такова чисто квантово механично поведение на взаимодействащите частици сред огромния шум на класическия свят е сложно начинание.
В проучване, публикувано на 5 януари 2022 г. в Nature, екип на Масачузетския технологичен институт (MIT) завърта бързо квантова течност (флуид) от ултрастудени атоми. Те наблюдават как първоначално кръглият облак от атоми първо се деформира в тънка, подобна на игла структура. След това, в момента, когато класическите ефекти трябва да отстъпят, оставяйки единствено квантовите закони да доминират в поведението на атомите, иглата спонтанно се чупи в кристален модел, наподобяващ низ от миниатюрни квантови торнадо.
„Тази кристализация се задвижва единствено от взаимодействия и ни казва, че отиваме от класическия свят към квантовия свят“, разказва Ричард Флетчър, асистент по физика в MIT.
Резултатите са първата директна документация на място за еволюцията на бързо въртящ се квантов газ. Мартин Цвиерлайн (Martin Zwierlein), професор по физика в Масачузетския технологичен институт, обяснява, че еволюцията на въртящите се атоми е до голяма степен подобна на това как въртенето на Земята води до мащабни метеорологични модели.
„Ефектът на Кориолис, който обяснява ротационния ефект на Земята, е подобен на силата на Лоренц, която обяснява как се държат заредените частици в магнитно поле“, отбелязва Цвирлайн. "Дори в класическата физика това води до образуване на интригуващи модели, като облаци, обгръщащи Земята в красиви спираловидни движения. И сега можем да изучаваме това в квантовия свят."
Въртящи се дубльори
През 80-те години на миналия век физиците започват да наблюдават ново семейство материя, известно като квантови флуиди на Хол, което се състои от облаци от електрони, плаващи в магнитни полета. Вместо да се отблъскват взаимно и да образуват кристал, както би предсказала класическата физика, частиците коригират поведението си спрямо това, което правят техните съседи, по корелиран квантов начин.
„Хората откриват всякакви невероятни свойства и причината бе, че в магнитно поле електроните (класически) са замръзнали на място – цялата им кинетична енергия е изключена и това, което остава, са чисти взаимодействия“, разказва Флетчър. "И така, целият този свят се появява. Но бе изключително трудно да се наблюдава и разбира."
По-специално, електроните в магнитно поле се движат с много малки движения, които е трудно да се видят. Цвирлайн и колегите му предполагат, че тъй като движението на атомите при въртене се случва в много по-големи мащаби на дължината, те може да са в състояние да използват ултрастудени атоми като дубльори на електрони и да могат да наблюдават идентична физика.
„Помислихме: нека накараме тези студени атоми да се държат така, сякаш са електрони в магнитно поле и че можем точно да ги контролираме“, разказва Цвирлайн. "След това можем да визуализираме какво правят отделните атоми и да видим дали те се подчиняват на същата квантово-механична физика."
Времето във въртележка
В новото си изследване физиците използват лазери, за да уловят облак от около 1 милион натриеви атома и охлаждат атомите до температури от около 100 нанокелвина. След това използват система от електромагнити, за да генерират капан за ограничаване на атомите и завъртяват атомите, като топчета в купа, с около 100 оборота в секунда.
Екипът заснема облака с камера, улавяйки гледна точка, подобна на тази към центъра на въртележка на детската площадка. След около 100 милисекунди изследователите наблюдават, че атомите се въртят в дълга, подобна на игла структура, която достига критична квантова дебелина.
„В класически флуид като цигарен дим, тази структура просто ще продължи да става по-тънка“, разказва Цвирлайн. "Но в квантовия свят един флуид достига граница на това колко тънък може да стане."
„Когато видяхме, че е достигнал тази граница, имахме основателна причина да мислим, че ще се отвори вратата на интересната квантова физика“, добавя Флетчър, който заедно с Цвирлайн публикува резултатите до този момент в предишен документ на Science. "Тогава въпросът бе какво би направил този тънък като игла флуид под въздействието на чисто въртене и взаимодействия?"
В новия си документ екипът представя своя експеримент, извършен с цел да видят как ще се развие игловидния флуид. Докато флуидът продължава да се върти, те наблюдават появата на квантова нестабилност: иглите започват да се люлеят, след това напомнят въртенето на тирбушон и накрая той "се счупва" в поредица от въртящи се елементи като миниатюрни торнадо — квантов кристал, възникващ единствено от взаимодействието на въртенето на газа и силите между атомите.
„Тази еволюция се свързва с идеята как пеперуда в Китай може да създаде буря тук, поради нестабилности, които предизвикват турбуленция“, обяснява Цвирлайн. "Тук имаме квантово "метеорологично време": флуидът, само поради своята квантова нестабилност, се фрагментира в тази кристална структура от по-малки облаци и вихри. И това е постижение, че можем да видим тези квантови ефекти директно."
Справка:
- Martin Zwierlein, Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04170-2. www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2
- Richard J. Fletcher et al, Geometric squeezing into the lowest Landau level, Science (2021). DOI: 10.1126/science.aba7202
Източник: Physicists watch as ultracold atoms form a crystal of quantum tornadoes
Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари