Fyzici zistili, že oblaky ultrachladných atómov môžu vytvoriť „kvantové tornáda“

Fyzikom z MIT sa podarilo vytvoriť „kvantové tornáda“ v oblakoch ultrachladných atómov. nedávny papier Publikované v časopise Nature. Toto je prvý priamy Okrem toho Dokumentuje, ako sa rýchlo rotujúci kvantový plyn vyvíja, a podľa autorov je tento proces podobný tomu, ako môžu rotačné účinky Zeme viesť k rozsiahlym vzorcom počasia.

Vedci z MIT mali záujem o štúdium tzv kvantová halová tekutina, Kvantové Hallove tekutiny, ktoré boli prvýkrát objavené v 80. rokoch 20. storočia, sú zložené 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 to preto, že v magnetickom poli sú elektróny (klasicky) zmrazené na mieste – všetka ich kinetická energia je uzamknutá a to, čo zostáva, je čisté vyjednávanie.“ Povedal spoluautor Richard Fletcher, fyzik na MIT. „Takže sa objavil celý tento svet. Bolo však mimoriadne ťažké ho vidieť a pochopiť.“

Fletcher a jeho spoluautori si teda mysleli, že by mohli byť schopní simulovať toto nezvyčajné správanie elektrónov pomocou oblakov ultrachladných kvantových plynov. Je známe Bose-Einsteinove kondenzáty (BEC)Tieto plyny sú pomenované na počesť Alberta Einsteina a indického fyzika Satyendru Boseho. V dvadsiatych rokoch minulého storočia Bose a Einstein predpovedali možnosť, že vlnová povaha atómov by mohla umožniť, aby sa atómy rozprestierali a prekrývali, ak by boli dostatočne zbalené.

Pri normálnej teplote sa atómy správajú ako biliardové gule a navzájom sa odrážajú. Znížením teploty sa spomalí ich rýchlosť. Ak teplota klesne dostatočne nízko (miliardiny stupňa pod absolútnu nulu) a atómy sú dostatočne zbalené, vlny rôznych látok sa môžu navzájom „vycítiť“ a koordinovať sa, ako keby boli veľkým „supertom“.

boli prvé BEC vytvorený v roku 1995a v priebehu niekoľkých rokov experiment zopakovalo viac ako tri desiatky tímov. Objav ocenený Nobelovou cenou Spustil úplne nový odbor fyziky. bec umožniť vedcom Študovať zvláštny, maličký svet kvantovej fyziky, ako keby sa naň pozerali cez lupu, pretože BEC „zosilňuje“ atómy rovnakým spôsobom, ako lasery zväčšujú 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. Zatočiť s takýmto neutrálnym systémom je jedným zo spôsobov, ako prekonať túto prekážku.

„Mysleli sme si, že nechajme tieto studené atómy správať sa tak, ako keby to boli elektróny v magnetickom poli, ale presne to by sme mohli kontrolovať,“ Povedal spoluautor Martin ZwierlinNa MIT sú aj fyzici. „Potom si môžeme predstaviť, čo jednotlivé atómy robia, a zistiť, či sa riadia rovnakou kvantovou mechanickou fyzikou.“

Pomocou laserovej pasce vedci z MIT ochladili asi 1 milión atómov sodíkového plynu; Ochladené atómy boli držané na mieste magnetickým poľom. Druhým stupňom je ochladzovanie odparovaním, pri ktorom sa pasca magnetických polí spojí, aby vyvrhla najhorúcejšie atómy, aby sa chladnejšie atómy priblížili k sebe. Proces funguje takmer rovnako ako odparovacie chladenie šálkou horúcej kávy: horúce atómy stúpajú nad magnetickú pascu a „vyskakujú“ ako para.

Rovnaké magnetické polia môžu nastaviť, aby sa atómy v pasci otáčali rýchlosťou približne 100 otáčok za sekundu. Tento pohyb bol zachytený v CCD kamere vďaka spôsobu, akým atómy sodíka fluoreskujú v reakcii na laserové svetlo. Atómy vrhajú tieň, ktorý je možné vidieť pomocou techniky nazývanej absorpčné zobrazovanie.

V priebehu 100 milisekúnd sa atómy roztočia do dlhej tenkej štruktúry ako ihla. Na rozdiel od klasickej tekutiny (ako je cigaretový dym), ktorá sa stále riedi, kvantová tekutina má limit na to, ako riedka môže byť. Vedci z MIT zistili, že ihlovité štruktúry vytvorené v ich ultrachladných plynoch ovplyvňujú rozsah tejto tenkosti. Výskumníci minulý rok opísali svoj rotujúci kvantový plyn a súvisiace zistenia vo vede,

Tento najnovší dokument posúva experiment MIT o krok ďalej a skúma, ako môžu tekutiny podobné ihličkám rásť v podmienkach čistej rotácie a atómovej interakcie. Výsledok: Objavila sa kvantová nestabilita, čo spôsobilo kývanie ihly s tekutinou a potom vývrtky. Nakoniec tekutina vykryštalizovala do reťazca víriacich kvapôčok podobných tornádu – kvantový kryštál vytvorený výlučne z atómových interakcií v rotujúcom plyne. evolúcia je prekvapivo podobná štruktúram tzv Kelvinov-Helmholtzov oblak, v ktorom homogénny oblak začína vytvárať súvislé prsty v dôsledku rozdielu rýchlostí (rýchlosti a smeru) medzi dvoma veternými prúdmi v atmosfére.

„Tento vývoj prispieva k myšlienke, ako by tu motýľ v Číne mohol spôsobiť búrky kvôli nestabilite, ktorá vytvára turbulencie,“ povedal Zwierlin, „Máme tu kvantové počasie: tekutinu z jej kvantovej nestability, fragmenty v tejto kryštalickej štruktúre malých oblakov a vírov. A je prelomom, že môžeme priamo pozorovať tieto kvantové efekty.“

Toto správanie bolo zrejme predpovedané starší papier inými fyzikmi, čo práve objavil tím MIT. A existuje niekoľko potenciálnych praktických aplikácií pre tento výskum, najmä ako vysoko citlivý rotačný senzor pre ponorkovú navigáciu. ponorky veriť Perie gyroskop z optických vlákien Na detekciu rotačného pohybu, keď sú ponorené, čo generuje rušivý obrazec. Atómy sa pohybujú pomalšie ako svetlo, takže senzor kvantového tornáda by bol oveľa citlivejší – možno dokonca dostatočne citlivý na to, aby zmeral najmenšiu zmenu rotácie Zeme.

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