„Kvantová tornáda“ znamenají přechod od klasické ke kvantové fyzice

Vesmír je řízen dvěma sadami zdánlivě neslučitelných fyzikálních zákonů – je tu klasická fyzika, na kterou jsme zvyklí v našem měřítku, a strašidelný svět kvantové fyziky v atomovém měřítku. Fyzici z MIT nyní pozorovali okamžik, kdy se atomy přepínají z jednoho na druhý, protože vytvářejí zajímavá „kvantová tornáda“.

Věci, které se našemu každodennímu chápání světa zdají nemožné, jsou v kvantové fyzice dokonale možné. Částice mohou v podstatě existovat na více místech najednou, například mohou tunelovat bariéry nebo okamžitě sdílet informace na obrovské vzdálenosti.

Tyto a další zvláštní jevy mohou vznikat, když částice vzájemně interagují, ale frustrující svět klasické fyziky může zasahovat a ztěžovat studium těchto křehkých interakcí. Jedním ze způsobů, jak zesílit kvantové efekty, je zchladit atomy až na zlomek nad absolutní nulou, čímž se vytvoří stav hmoty nazývaný Bose-Einsteinův kondenzát (BEC), který může vykazovat kvantové vlastnosti ve větším, viditelném měřítku.

Pro novou studii tým MIT udělal právě to, aby prozkoumal to, co je známé jako kvantová Hallova tekutina. Tento podivný typ hmoty se skládá z mračen elektronů uvězněných v magnetických polích, které spolu začnou neobvyklým způsobem interagovat a vytvářet kvantové efekty. Spíše než elektrony, které jsou v tomto systému příliš těžké jasně vidět, vědci vytvořili BEC z asi milionu ultrachladných atomů sodíku.

„Mysleli jsme si, že nechme tyto studené atomy, aby se chovaly, jako by to byly elektrony v magnetickém poli, ale že je můžeme přesně ovládat,“ říká Martin Zwierlein, odpovídající autor studie. „Pak si můžeme představit, co jednotlivé atomy dělají, a zjistit, zda se řídí stejnou kvantovou mechanickou fyzikou.“

Tým umístil tento mrak atomů do elektromagnetické pasti a poté je otočil rychlostí 100 otáček za sekundu. Mrak se natáhl do tvaru dlouhé jehly, která byla stále tenčí a tenčí – a tehdy se atomy přepnuly ​​do kvantového chování.

Struktura jehly se nejprve začala ohýbat sem a tam jako had v pohybu, pak se rozpadla na jednotlivé segmenty. Tyto segmenty se stále otáčely a tvořily zvláštní krystalický vzor, ​​který tým popsal jako řetězec kvantových tornád. Toto chování je zcela řízeno interakcemi mezi atomy a mohlo by mít některé zajímavé důsledky pro kvantovou a klasickou mechaniku.

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

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroj: MIT