Fyzikom z Massachusettského technologického inštitútu sa podarilo vytvoriť „kvantové tornáda“ v oblakoch extrémne studených atómov. posledný papier Publikované v časopise Nature. Toto je prvý priamy, Na mieste Dokumentuje, ako sa rýchlo rotujúci kvantový plyn vyvíja, a podľa autorov je tento proces podobný tomu, ako môžu účinky rotácie Zeme viesť k rozsiahlym vzorcom počasia.

Vedci z MIT mali záujem o štúdium tzv Kvantové Hallove tekutiny. Kvantové Hallove tekutiny prvýkrát objavené v 80. rokoch 20. storočia pozostávajú z oblakov elektrónov vznášajúcich sa v magnetických poliach. V klasickom systéme sa elektróny navzájom odpudzujú a vytvárajú kryštál. Ale v kvantových Hallových tekutinách elektróny napodobňujú správanie svojich susedov – dôkaz kvantovej korelácie.

„Ľudia objavili všetky druhy úžasných vlastností a dôvodom je, že v magnetickom poli sú elektróny (klasicky) zmrazené na mieste – všetka ich kinetická energia je vypnutá a to, čo zostáva, sú čisto interakcie.“ Spoluautor Richard Fletcher povedal:, fyzik z Massachusettského technologického inštitútu. „Takže sa objavil celý tento svet. Ale bolo veľmi ťažké si to všimnúť a pochopiť.“

Fletcher a jeho kolegovia si teda mysleli, že by mohli byť schopní simulovať toto nezvyčajné správanie elektrónov pomocou oblakov ultrachladných kvantových plynov. známy ako Bose-Einsteinove kondenzátory (BEC)Tieto plyny sú pomenované na počesť Alberta Einsteina a indického fyzika Satyendru Boseho. V 20. rokoch Bose a Einstein predpovedali možnosť, že vlnová povaha atómov umožní šírenie a interferenciu, ak budú dostatočne zoskupené.

Pri normálnych teplotách sa atómy správajú ako biliardové gule a navzájom sa odrážajú. Znížením teploty sa zníži jeho rýchlosť. Ak teplota klesne dostatočne nízko (miliardiny stupňa nad absolútnou nulou) a atómy budú dostatočne nahusto, vlny rôznych látok sa budú môcť navzájom „vycítiť“ a koordinovať sa, ako keby boli veľkým „meta-atómom“. „.

Prvé BEC boli Vytvorené v roku 1995V priebehu niekoľkých rokov experiment zopakovalo viac ako tridsať tímov. a Objav laureáta Nobelovej ceny Spustil úplne nový odbor fyziky. BECs Vedcom sa podarilo Študovať zvláštny malý svet kvantovej fyziky, ako keby sa naň pozerali cez lupu, pretože BEC „zosilňuje“ atómy rovnakým spôsobom, ako laser zosilňuje fotóny.

Ultrachladné atómové plyny sú dobré pri simulácii elektrónov v pevných látkach, ale nemajú náboj. Táto neutralita môže spôsobiť, že simulácia javov, ako je kvantový Hallov efekt, bude výzvou. Zavedenie takéhoto neutrálneho režimu je jedným zo spôsobov, ako prekonať túto prekážku.

„Mysleli sme si: ‚Prinútime tieto studené atómy, aby sa správali, ako keby to boli elektróny v magnetickom poli, ale môžeme ich presne ovládať,“ Spoluautor Martin Zwierlein povedal:Je tiež fyzikom na Massachusetts Institute of Technology. „Potom si môžeme predstaviť, čo jednotlivé atómy robia, a zistiť, či podliehajú rovnakej fyzike kvantovej mechaniky.“

Pomocou laserovej pasce vedci z MIT ochladili asi jeden milión atómov plynného sodíka. Ochladené atómy sú držané na mieste magnetickým poľom. Druhým krokom je chladenie odparovaním, pri ktorom sa sieť magnetických polí spája, aby odpudzovala horúcejšie atómy, aby sa chladnejšie atómy mohli pohybovať tesnejšie. Proces funguje rovnakým spôsobom ako odparovacie chladenie horúcou šálkou kávy: najhorúcejšie atómy stúpajú na vrchol magnetickej pasce a „vyskakujú“ ako para.

Rovnaké magnetické polia môžu spôsobiť, že sa atómy vo vnútri pasce roztočia približne 100 otáčok za sekundu. Tento pohyb bol zachytený CCD kamerou vďaka spôsobu, akým atómy sodíka fluoreskujú v reakcii na laserové svetlo. Atómy vrhajú tieň, ktorý je potom možné pozorovať pomocou techniky nazývanej absorpčné zobrazovanie.

V priebehu 100 milisekúnd sa atómy roztočili do dlhej, tenkej, ihličkovitej štruktúry. Na rozdiel od bežnej kvapaliny (ako je cigaretový dym), ktorá sa udržiava ľahšia, kvantová kvapalina má limity na to, ako riedka kvapalina môže byť. Vedci z MIT zistili, že ihličkovité štruktúry vytvorené v ich ultrachladných plynoch dosiahli tento bod. Výskumníci minulý rok opísali svoje spinové kvantové plyny a súvisiace zistenia vo vede.

Tento najnovší výskum posúva skúsenosti MIT o krok ďalej tým, že skúma, ako sa tekutina podobná ihličke vyvíja v podmienkach čistej rotácie a atómových interakcií. Výsledok: objavila sa kvantová nestabilita, čo spôsobilo, že ihla kvapaliny vibrovala a potom spínač. Nakoniec kvapalina vykryštalizovala do série rotujúcich kvapôčok pripomínajúcich tornáda – kvantový kryštál vytvorený výlučne z atómových interakcií v rotujúcom plyne. Evolúcia sa nápadne podobá na útvary tzv Kelvin Helmholtz mraky, kde homogénny oblak začína postupne vytvárať prsty v dôsledku rozdielu rýchlosti (rýchlosti a smeru) medzi prúdmi vetra v atmosfére.

„Tento vývoj súvisí s myšlienkou, ako by tu motýľ v Číne mohol spôsobiť búrku kvôli nestabilite, ktorá spôsobila nepokoje,“ Povedal Zwerlin. „Máme tu kvantové počasie: kvapalina sa práve kvôli svojej kvantovej nestabilite rozpadá na túto kryštálovú štruktúru z menších oblakov a vírov. A je prelomom, aby sme mohli vidieť tieto kvantové efekty z prvej ruky.“

Toto správanie bolo zrejme predpovedané v r predchádzajúci príspevok inými fyzikmi, ktoré tím MIT práve objavil. Existujú niektoré potenciálne praktické aplikácie tohto výskumu, najmä rotačné senzory, ktoré sú vysoko citlivé na námornú navigáciu. subs Závisí zamestnanosť gyroskopy s optickými vláknami Na detekciu rotačného pohybu pri ponorení, čím sa vytvorí vzor rušenia alarmu. Atómy sa pohybujú pomalšie ako svetlo, takže senzor kvantového tornáda by bol citlivejší – a možno dostatočne citlivý na to, aby zmeral jemné zmeny v rotácii Zeme.

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