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

Fyzikům z Massachusettského technologického institutu se podařilo vytvořit „kvantová tornáda“ v oblacích extrémně studených atomů, tvrdí poslední papír Publikováno v časopise Nature. Toto je první přímý, Na stránce Dokumentuje, jak se rychle rotující kvantový plyn vyvíjí, a podle autorů je tento proces podobný tomu, jak mohou účinky rotace Země vyvolat rozsáhlé vzory počasí.

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

„Lidé objevili všechny druhy úžasných vlastností a důvodem je, že v magnetickém poli jsou elektrony (klasicky) zamrzlé na místě – veškerá jejich kinetická energie je vypnutá a to, co zůstává, jsou čistě interakce.“ Spoluautor Richard Fletcher řekl:, fyzik na Massachusetts Institute of Technology. „Takže se objevil celý tento svět. Ale bylo velmi těžké si toho všimnout a pochopit.“

Fletcher a jeho kolegové si tedy mysleli, že by mohli být schopni simulovat toto neobvyklé chování elektronů pomocí mraků ultrachladných kvantových plynů. známý jako Bose-Einsteinovy ​​kondenzátory (BEC)Tyto plyny jsou pojmenovány na počest Alberta Einsteina a indického fyzika Satyendry Boseho. Ve 20. letech 20. století Bose a Einstein předpověděli možnost, že vlnová povaha atomů umožní šíření a interferenci, pokud budou dostatečně seskupeny.

Při normální teplotě se atomy chovají jako kulečníkové koule a odrážejí se od sebe. Snížení teploty snižuje jeho rychlost. Pokud teplota klesne dostatečně nízko (miliardtiny stupně nad absolutní nulou) a atomy jsou nahuštěny dostatečně hustě, vlny různé hmoty se budou moci navzájem „cítit“ a koordinovat se, jako by byly velkým „meta-atomem“. „.

První BEC byly Vytvořeno v roce 1995Během několika let experiment zopakovalo více než třicet týmů. a Objev laureáta Nobelovy ceny Spustil zcela nový obor fyziky. BEC Vědci to zvládli Studovat podivný malý svět kvantové fyziky, jako by se na něj dívali přes lupu, protože BEC „zesiluje“ atomy stejným způsobem, jako laser zesiluje 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. Zavedení takového neutrálního režimu je jedním ze způsobů, jak tuto překážku překonat.

„Mysleli jsme si: ‚Pojďme, aby se tyto studené atomy chovaly, jako by to byly elektrony v magnetickém poli, ale můžeme je přesně ovládat,“ Spoluautor Martin Zwierlein řekl:Je také fyzikem na Massachusetts Institute of Technology. „Pak si můžeme představit, co jednotlivé atomy dělají, a zjistit, zda podléhají stejné fyzice kvantové mechaniky.“

Pomocí laserové pasti vědci z MIT ochladili asi jeden milion atomů plynného sodíku. Ochlazené atomy jsou drženy na místě magnetickým polem. Druhým krokem je chlazení odpařováním, při kterém se síť magnetických polí spojí, aby odpuzovala žhavější atomy, aby se chladnější atomy mohly pohybovat těsněji k sobě. Proces funguje stejným způsobem jako odpařovací chlazení s horkým šálkem kávy: nejžhavější atomy stoupají k vrcholu magnetické pasti a „vyskakují“ jako pára.

Stejná magnetická pole mohou atomy uvnitř pasti roztočit asi 100 otáčkami za sekundu. Tento pohyb byl zachycen pomocí CCD kamery díky způsobu, jakým atomy sodíku fluoreskují v reakci na laserové světlo. Atomy vrhají stín, který lze poté pozorovat pomocí techniky zvané absorpční zobrazování.

Během 100 milisekund se atomy stočily do dlouhé tenké jehličkovité struktury. Na rozdíl od konvenční kapaliny (jako je cigaretový kouř), která se sama udržuje lehčí, má kvantová kapalina hranice toho, jak řídká kapalina může být. Výzkumníci z MIT zjistili, že jehlovité struktury vytvořené v jejich ultrachladných plynech dosáhly tohoto bodu. Vědci loni popsali své spinové kvantové plyny a související nálezy ve vědě.

Tento nejnovější výzkum posouvá zkušenosti MIT o krok dále tím, že zkoumá, jak se jehlovitá tekutina vyvíjí za podmínek čisté rotace a atomových interakcí. Výsledek: objevila se kvantová nestabilita, která způsobila, že jehla kapaliny vibrovala a poté spínač. Nakonec kapalina vykrystalizovala do řady rotujících kapek připomínajících tornáda – kvantový krystal vytvořený výhradně z atomových interakcí v rotujícím plynu. Evoluce se nápadně podobá útvarům tzv Kelvin Helmholtz mrakykde homogenní mrak začíná postupně vytvářet prsty v důsledku rozdílu v rychlosti (rychlosti a směru) mezi větrnými proudy v atmosféře.

„Tento vývoj souvisí s myšlenkou, jak by zde motýl v Číně mohl vytvořit bouři kvůli nestabilitě, která způsobila nepokoje,“ řekl Zwerlin. „Tady máme kvantové počasí: kapalina se právě kvůli své kvantové nestabilitě rozpadá na tuto krystalickou strukturu z menších mraků a vírů. A je průlomem, abychom tyto kvantové efekty mohli vidět z první ruky.“

Toto chování bylo zjevně předpovězeno v předchozí papír jinými fyziky, které tým MIT právě objevil. Existují určité potenciální praktické aplikace tohoto výzkumu, zejména rotační senzory, které jsou vysoce citlivé na námořní navigaci. titulky Závisí zaměstnanost gyroskopy z optických vláken Detekce rotačního pohybu při ponoření a vytvoření rušivého vzoru alarmu. Atomy se pohybují pomaleji než světlo, takže senzor kvantového tornáda by byl citlivější – a možná dostatečně citlivý na to, aby změřil jemné změny v rotaci Země.

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