Fyzici navozují nehybný kvantový stav v dosud největším objektu

„Stacionární“ má velmi odlišné významy v kvantovém a reálném světě – objekt, který nám připadá dokonale nehybný, se ve skutečnosti skládá z atomů, které bzučí a poskakují kolem. Nyní se vědcům podařilo zpomalit atomy téměř až do úplného zastavení v dosud největším objektu v makroměřítku.

Teplota daného objektu je přímo vázána na pohyb jeho atomů – v podstatě čím je něco teplejší, tím více se jeho atomy kývají. Existuje bod, kdy je objekt tak chladný, že se jeho atomy úplně zastaví, teplota známá jako absolutní nula (-273,15 °C, -459,67 °F).

Vědcům se již desítky let daří zchladit atomy a skupiny atomů na zlomek nad absolutní nulou, čímž navodí to, čemu se říká pohybový základní stav. To je skvělý výchozí bod pro vytvoření exotických stavů hmoty, jako jsou superpevné látky nebo tekutiny, které se zdají mít zápornou hmotnost.

Je pochopitelné, že s většími objekty je to mnohem těžší, protože se skládají z více atomů, které všechny interagují se svým okolím. Nyní však velký mezinárodní tým vědců překonal rekord pro největší objekt, který byl uveden do pohybového základního stavu (nebo tak jako tak extrémně blízko k jednomu).

Většinu času se tyto experimenty provádějí s mraky milionů atomů, ale nový test byl proveden na 10 kg (22 lb) předmětu, který obsahuje téměř octillion atomy. Kupodivu tento „objekt“ není jen jedna věc sama o sobě, ale kombinovaný pohyb čtyř různých objektů, každý o hmotnosti 40 kg (88 lb).

Výzkumníci provedli experiment v LIGO, obrovském zařízení známém detekcí gravitačních vln, které omývají Zemi. Dělá to tak, že lasery vyzařují dva 4 km (2,5 míle) tunely a odrážejí je zpět pomocí zrcadel – a tato zrcadla byly objekty, které nová studie zchladila do pohybového základního stavu.

Chlazení atomů je v principu jednoduché – stačí čelit jejich pohybu stejnou a opačnou silou. To však vyžaduje extrémně přesné měření jejich pohybu a ještě více to komplikuje, samotný akt jejich měření na ně může vyvinout novou sílu.

Je zajímavé, že nová studie toho využila ve prospěch týmu. Fotony světla v laserech LIGO vytvářejí drobné hrbolky na zrcadlech, když se odrážejí, a tyto poruchy lze měřit v pozdějších fotonech. Vzhledem k tomu, že paprsky jsou konstantní, vědci mají spoustu dat o pohybech atomů v zrcadlech – což znamená, že pak mohou navrhnout dokonalé protipůsobící síly.

Za tímto účelem vědci připojili elektromagnety na zadní stranu každého zrcadla, což snížilo jejich kolektivní pohyb téměř na pohybový základní stav. Zrcadla se posunula o méně než jednu tisícinu šířky protonu a v podstatě se ochladila na ostrých 77 nanokelvinů – chloupek nad absolutní nulou.

„To je srovnatelné s teplotou, při které atomoví fyzici ochlazují své atomy, aby se dostaly do základního stavu, a to s malým oblakem možná milionu atomů, vážícím pikogramy,“ říká Vivishek Sudhir, ředitel projektu. „Takže je pozoruhodné, že můžete ochladit něco mnohem těžšího na stejnou teplotu.“

Tým říká, že tento průlom by mohl umožnit nové kvantové experimenty na makroúrovni.

„Nikdo nikdy nepozoroval, jak gravitace působí na masivní kvantové stavy,“ říká Sudhir. „Ukázali jsme, jak připravit objekty v kilogramovém měřítku v kvantových stavech. To konečně otevírá dveře k experimentálnímu studiu toho, jak může gravitace ovlivnit velké kvantové objekty, o čemž se dosud jen snilo.

Výzkum zveřejněný v časopise Věda.

Zdroj: MIT