MIT fizikai pavyko pasiekti, kad itin šaltų atomų debesyse susiformuotų „kvantiniai tornadai“. naujausias popierius paskelbtas žurnale Nature. Tai pirmasis tiesioginis, savo vietoje Dokumentai apie tai, kaip greitai besisukančios kvantinės dujos vystosi, ir, pasak autorių, procesas panašus į tai, kaip Žemės sukimosi poveikis gali sukelti didelio masto oro modelius.

MIT mokslininkai buvo suinteresuoti tyrinėti vadinamuosius kvantinės salės skysčiai. Devintajame dešimtmetyje pirmą kartą atrasti kvantiniai Holo skysčiai susideda iš elektronų debesų, plūduriuojančių magnetiniuose laukuose. Klasikinėje sistemoje elektronai atstumtų vienas kitą ir sudarytų kristalą. Tačiau kvantiniuose Holo skysčiuose elektronai imituoja savo kaimynų elgesį – tai yra kvantinės koreliacijos įrodymas.

„Žmonės atrado įvairiausių nuostabių savybių, o priežastis buvo ta, kad magnetiniame lauke elektronai (klasikiškai) sustingę vietoje – visa jų kinetinė energija yra išjungta, o belieka tik sąveika. sakė bendraautorius Richardas Fletcheris, MIT fizikas. „Taigi, visas šis pasaulis atsirado. Tačiau stebėti ir suprasti buvo nepaprastai sunku.”

Taigi Fletcheris ir jo bendraautoriai manė, kad jie galėtų imituoti šį neįprastą elektronų elgesį naudodami itin šaltų kvantinių dujų debesis. Žinomas kaip Bose-Einstein kondensatai (BEC), šios dujos pavadintos Alberto Einšteino ir Indijos fiziko Satyendros Bose garbei. Dešimtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje Bose’as ir Einšteinas numatė galimybę, kad dėl banginių atomų prigimties atomai gali išsiskirstyti ir persidengti, jei jie yra pakankamai arti vienas kito.

Esant normaliai temperatūrai, atomai veikia kaip biliardo kamuoliukai ir atsimuša vienas nuo kito. Sumažinus temperatūrą, sumažėja jų greitis. Jei temperatūra bus pakankamai žema (milijardinėmis laipsnio dalimis virš absoliutaus nulio) ir atomai bus pakankamai tankiai supakuoti, skirtingos materijos bangos galės „jausti“ viena kitą ir koordinuoti save taip, tarsi jos būtų vienas didelis „superatomas“.

Pirmieji BEC buvo sukurta 1995 metaisir per kelerius metus daugiau nei trys dešimtys komandų pakartojo eksperimentą. The Nobelio premijos laureatas atradimas pradėjo visiškai naują fizikos šaką. BEC įgalinti mokslininkus tirti keistą, nedidelį kvantinės fizikos pasaulį, lyg į jį žiūrėtų per padidinamąjį stiklą, nes BEC „sustiprina“ atomus taip, kaip lazeriai stiprina fotonus.

Itin šaltos atominės dujos gerai imituoja elektronus kietose medžiagose, tačiau joms trūksta krūvio. Toks neutralumas gali paversti iššūkiu modeliuoti tokius reiškinius kaip kvantinis Holo efektas. Tokios neutralios sistemos sukimas yra vienas iš būdų įveikti šią kliūtį.

„Pagalvojome, kad šie šalti atomai elgtųsi taip, lyg jie būtų elektronai magnetiniame lauke, bet kad galėtume tiksliai valdyti. sakė bendraautorius Martinas Zwierleinas, taip pat MIT fizikas. „Tada galime įsivaizduoti, ką daro atskiri atomai, ir pamatyti, ar jie paklūsta tai pačiai kvantinei mechaninei fizikai.

Naudodami lazerinę gaudyklę MIT mokslininkai atvėsino apie 1 milijoną natrio dujų atomų; atvėsusius atomus laikė magnetinis laukas. Antrasis žingsnis yra išgaruojantis aušinimas, kurio metu magnetinių laukų tinklas išmuša karščiausius atomus, kad vėsesni atomai galėtų judėti arčiau vienas kito. Procesas veikia beveik taip pat, kaip garuojantis aušinimas vyksta su karštos kavos puodeliu: karštesni atomai pakyla į magnetinio gaudyklės viršų ir „iššoka“ kaip garai.

Tie patys magnetiniai laukai taip pat gali nustatyti, kad spąstuose esantys atomai sukasi maždaug 100 apsisukimų per sekundę. Šis judėjimas buvo užfiksuotas CCD kameroje, nes natrio atomai fluorescuoja reaguodami į lazerio šviesą. Atomai meta šešėlį, kurį vėliau galima stebėti naudojant techniką, vadinamą sugerties vaizdavimu.

Per 100 milisekundžių atomai susisuko į ilgą ploną struktūrą, primenančią adatą. Skirtingai nuo klasikinio skysčio (pavyzdžiui, cigarečių dūmų), kuris vis plonėja, kvantinis skystis turi ribą, kiek jis gali plonėti. MIT mokslininkai išsiaiškino, kad į adatą panašios struktūros, susidariusios jų itin šaltose dujose, pasiekė tą plonumo ribą. Tyrėjai praėjusiais metais aprašė savo besisukančių kvantinių dujų ir susijusias išvadas moksle.

Šiame naujausiame dokumente MIT eksperimentas žengiamas dar vienu žingsniu toliau tiriant, kaip į adatą panašus skystis gali išsivystyti gryno sukimosi ir atominės sąveikos sąlygomis. Rezultatas: atsirado kvantinis neapibrėžtumas, dėl kurio skysčio adata susvyravo, o tada buvo kamščiatraukis. Galiausiai skystis susikristalizavo į besisukančių dėmių, primenančių tornadus, virtinę – kvantinį kristalą, susidarantį vien dėl atominės sąveikos besisukančiose dujose. Evoliucija stulbinamai panaši į darinius, vadinamus Kelvino-Helmholtzo debesyskuriame vienalytis debesis pradeda formuoti nuoseklius pirštus dėl greičio skirtumo (greičio ir krypties) tarp dviejų vėjo srovių atmosferoje.

„Ši evoliucija siejasi su idėja, kaip drugelis Kinijoje gali čia sukelti audrą dėl nestabilumo, sukeliančio turbulenciją. pasakė Zwierleinas. „Čia turime kvantinį orą: skystis vien dėl savo kvantinio nestabilumo susiskaido į šią kristalinę mažesnių debesų ir sūkurių struktūrą. Ir tai yra proveržis, kad būtų galima tiesiogiai pamatyti šiuos kvantinius efektus.”

Matyt, toks elgesys buvo numatytas ankstesnį popierių kitų fizikų, kuriuos MIT komanda tik ką atrado. Ir yra keletas galimų šio tyrimo praktinių pritaikymų, ypač kaip labai jautrūs sukimosi jutikliai povandeninių laivų navigacijai. Povandeniniai laivai pasikliauti įjungta šviesolaidiniai giroskopai aptikti sukimosi judėjimą, kai jie panardinami, o tai sukuria signalinį trikdžių modelį. Atomai juda lėčiau nei šviesa, todėl kvantinio tornado jutiklis būtų daug jautresnis – galbūt net pakankamai jautrus, kad būtų galima išmatuoti nedidelius Žemės sukimosi pokyčius.

DOI: Gamta, 2022 m. 10.1038/s41586-021-04170-2 (Apie DOI).