Tech / Nauka
Tomasz Wiśniewski
Redaktor technologiczny. Interesuje się sztuczną inteligencją, startupami i nowymi mediami, a także odkryciami naukowymi. Wielbiciel science fiction i gier planszowych.
Zespół fizyków pod kierownictwem Hannsa-Christopha Nägerla, we współpracy z teoretykiem Alvise Bastianello z CNRS i Université Paris-Dauphine, opisał w czasopiśmie „Physical Review Letters” sposób wytworzenia egzotycznego stanu kwantowego, który nazwano frakcyjnym morzem Fermiego. Odkrycie opisano jako dziwną formę zachowania kwantowego, w której cząstki organizują się w sposób podważający utrwalone teorie. Co ważne, zachowują one przy tym ukryty porządek.
Punktem wyjścia jest dobrze znane zjawisko. W zwykłych warunkach cząstki kwantowe podlegają ustalonym regułom, które decydują o tym, jak się układają, szczególnie w bardzo niskich temperaturach. Fermiony, czyli cząstki, do których należą między innymi elektrony, nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. Wypełniają więc dostępne poziomy energii według ściśle określonych ograniczeń, tworząc strukturę nazywaną morzem Fermiego. „Fermiony układają się schludnie w dostępnych stanach energii, tworząc tak zwane morze Fermiego. Co jednak się stanie, jeśli zmusi się oddziałujące atomy do ciągłego przechodzenia przez ekstremalne warunki, płynnie przesuwając je od silnego odpychania do silnego przyciągania?” - pyta Bastianello.
Aby to sprawdzić, naukowcy przeanalizowali ultrazimne atomy cezu zamknięte w układzie jednowymiarowym. Oznacza to, że cząstki mogą poruszać się wyłącznie wzdłuż jednej osi, co daje wyjątkową kontrolę nad ich wzajemnymi oddziaływaniami. Warunki, które zwykle decydują o zachowaniu cząstek, zostały celowo zaburzone. Siłę oddziaływań wielokrotnie przełączano między silnym odpychaniem a silnym przyciąganiem, za każdym razem przesuwając układ od jednego skrajnego stanu do drugiego.
Obliczenia przyniosły zaskakujący wynik. Startując ze stanu podstawowego, czyli najniższej dostępnej konfiguracji energii, atomy można było wprowadzić w stan silnie wzbudzony. Zamiast popaść w nieład, cząstki przegrupowały się w nietypową konfigurację, która zachowuje się inaczej niż układy kwantowe badane dotąd przez fizyków.
Najbardziej zaskakujące jest to, że cząstki zachowały ukryty porządek mimo wprowadzenia ich w stan o ekstremalnie wysokiej energii. Zwykle silne wzbudzenie wiąże się z utratą uporządkowania, tymczasem tutaj organizacja atomów przetrwała daleko od stanu podstawowego.
Autorzy podkreślają, że ich analiza teoretyczna dała podstawy dla niedawnych badań eksperymentalnych, które zespół Nägerla przeprowadził w Katedrze Fizyki Eksperymentalnej. Opis frakcyjnego morza Fermiego pozostaje więc propozycją teoretyczną, która znalazła już swoje doświadczalne rozwinięcie. Najnowsze prace pokazują, że opisany stan można badać w laboratorium, a teoria i eksperyment wzajemnie się w nich uzupełniają. To dopiero początek drogi, którą wyznaczyły obliczenia teoretyków.