Fyzici zjistili, že mraky ultrachladných atomů mohou vytvářet „kvantová tornáda“

Fyzikům z MIT se podařilo dosáhnout toho, že se v oblacích ultrachladných atomů vytvořila „kvantová tornáda“, tvrdí nedávný papír publikované v časopise Nature. Toto je první přímý, in situ Dokumentace toho, jak se rychle rotující kvantový plyn vyvíjí, a podle autorů se tento proces podobá tomu, jak mohou rotační účinky Země vést k rozsáhlým vzorcům počasí.

Vědci z MIT se zajímali o studium tzv kvantové sálové tekutiny. Kvantové Hallovy tekutiny, které byly poprvé objeveny v 80. letech 20. století, se skládají z mraků elektronů plovoucích v magnetických polích. V klasickém systému by se elektrony vzájemně odpuzovaly a vytvořily by krystal. Ale v kvantových Hallových tekutinách elektrony napodobují chování svých sousedů – důkaz kvantové korelace.

„Lidé objevili všechny druhy úžasných vlastností a důvodem bylo, že v magnetickém poli jsou elektrony (klasicky) zamrzlé na místě – veškerá jejich kinetická energie je vypnutá a co zbývá, jsou čistě interakce.“ řekl spoluautor Richard Fletcher, fyzik na MIT. „Takže se objevil celý tento svět. Ale bylo nesmírně těžké ho pozorovat a pochopit.“

Fletcher a jeho spoluautoři si tedy mysleli, že by mohli být schopni simulovat toto neobvyklé chování elektronů pomocí mraků ultrachladných kvantových plynů. Známý jako Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty (BEC)Tyto plyny jsou pojmenovány na počest Alberta Einsteina a indického fyzika Satyendry Boseho. Ve dvacátých letech 20. století Bose a Einstein předpověděli možnost, že vlnová povaha atomů by mohla umožnit atomům, aby se rozprostřely a překrývaly, pokud budou dostatečně blízko u sebe.

Při normální teplotě se atomy chovají jako kulečníkové koule a odrážejí se od sebe. Snížení teploty snižuje jejich rychlost. Pokud se teplota dostatečně sníží (miliardtiny stupně nad absolutní nulou) a atomy budou dostatečně hustě napěchované, budou se různé vlny hmoty moci vzájemně „cítit“ a koordinovat se, jako by byly jedním velkým „superatomem“.

První BEC byly vytvořený v roce 1995a během několika let experiment zopakovaly více než tři desítky týmů. The Objev oceněný Nobelovou cenou zahájila zcela nový obor fyziky. BEC umožnit vědcům studovat podivný, malý svět kvantové fyziky, jako by se na něj dívali přes lupu, protože BEC „zesiluje“ atomy stejným způsobem, jako lasery zesilují fotony.

Ultrachladné atomové plyny jsou dobré při simulaci elektronů v pevných látkách, ale postrádají náboj. Tato neutralita může způsobit, že simulace jevů, jako je kvantový Hallův jev, bude výzvou. Zatočit s takovým neutrálním systémem je jedním ze způsobů, jak překonat tuto překážku.

„Mysleli jsme si, že nechme tyto studené atomy, aby se chovaly, jako by to byly elektrony v magnetickém poli, ale že to můžeme přesně ovládat,“ řekl spoluautor Martin Zwierlein, také fyzik na MIT. „Pak si můžeme představit, co jednotlivé atomy dělají, a zjistit, zda se řídí stejnou kvantovou mechanickou fyzikou.“

Pomocí laserové pasti vědci z MIT ochladili asi 1 milion atomů sodíkového plynu; ochlazené atomy byly drženy na místě magnetickým polem. Druhým krokem je chlazení odpařováním, při kterém se síť magnetických polí spojí, aby vykopla nejžhavější atomy, aby se chladnější atomy mohly pohybovat těsněji k sobě. Tento proces funguje v podstatě stejným způsobem jako odpařovací ochlazování u šálku horké kávy: žhavější atomy stoupají k vrcholu magnetické pasti a „vyskakují“ jako pára.

Stejná magnetická pole mohou také nastavit, aby se atomy v pasti otáčely rychlostí přibližně 100 otáček za sekundu. Tento pohyb byl zachycen na CCD kameře díky způsobu, jakým atomy sodíku fluoreskují v reakci na laserové světlo. Atomy vrhají stín, který pak lze pozorovat pomocí techniky zvané absorpční zobrazování.

Během 100 milisekund se atomy roztočily do dlouhé tenké struktury připomínající jehlu. Na rozdíl od klasické tekutiny (jako je cigaretový kouř), která se stále řídne, má kvantová tekutina limit, jak se může zřítit. Vědci z MIT zjistili, že jehlovité struktury, které se vytvořily v jejich ultrachladných plynech, dosáhly této hranice řídkosti. Vědci popsali svůj rotující kvantový plyn a související nálezy v loňském roce ve vědě.

Tento nejnovější článek posouvá experiment MIT o krok dále tím, že zkoumá, jak by se jehlovitá tekutina mohla vyvíjet za podmínek čisté rotace a atomových interakcí. Výsledek: objevila se kvantová nejistota, která způsobila, že se jehla kapaliny zachvěla a pak se vývrtka. Nakonec tekutina vykrystalizovala do řetězce rotujících kuliček připomínajících tornáda – kvantový krystal vytvořený výhradně z atomových interakcí uvnitř rotujícího plynu. Evoluce se nápadně podobá útvarům tzv Kelvin-Helmholtzovy mraky, ve kterém homogenní mrak začíná tvořit postupné prsty v důsledku rozdílu rychlostí (rychlosti a směru) mezi dvěma větrnými proudy v atmosféře.

„Tento vývoj souvisí s myšlenkou, jak zde motýl v Číně může vytvořit bouři kvůli nestabilitě, která spouští turbulence,“ řekl Zwierlein. „Tady máme kvantové počasí: Tekutina se právě díky své kvantové nestabilitě fragmentuje do této krystalické struktury menších mraků a vírů. A je průlomem být schopen tyto kvantové efekty vidět přímo.“

Toto chování bylo zjevně předpovězeno v dřívější papír jinými fyziky, které tým MIT teprve objevil. A existuje několik potenciálních praktických aplikací pro tento výzkum, zejména jako vysoce citlivé rotační senzory pro podmořskou navigaci. ponorky spolehnout se na gyroskopy z optických vláken pro detekci rotačního pohybu, když jsou ponořeny, což vytváří rušivý obrazec. Atomy se pohybují pomaleji než světlo, takže senzor kvantového tornáda by byl mnohem citlivější – možná dokonce dostatečně citlivý na to, aby změřil nepatrné změny v rotaci Země.

DOI: Příroda, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (O DOI).