Az ultrahideg hőmérsékleten végzett kísérletek izgalmas felfedezésekhez vezethetnek az atomok tulajdonságait illetően, mivel abszolút nulla fok közeli hőmérsékleten a részecskék máshogy kezdenek el viselkedni, mint kevésbé fagyos körülmények között tennék. Ilyenkor a kvantummechanika szabályai érvényesek az interakcióikra, ezáltal új jelenségek és egzotikus, eddig soha nem látott állapotok megfigyelésére nyílik lehetőség.

A Rice Egyetem fizikusainak és kiotói kutatóknak közös munkája során most minden korábbiaknál hidegebbre hűtötték a fermionokat, konkrétan itterbium atomokat, az abszolút nulla foktól egymilliárdodnyi fokra lévő hőmérsékletre. Ez, az egyetem közleménye szerint, a csillagközi térben uralkodó körülményekkel összehasonlítva, három milliárdszor hidegebb hőmérsékletet jelent. Az eddig végzett vizsgálatokban még nem sikerült elérni ilyen alacsony hőmérsékletet, vagyis az eredmény rekordnak számít, de nem ez a kísérlet egyetlen érdekes jellemzője.

A vizsgálat különlegességét az adja, hogy a fizikusok gyakorlati körülmények között, tehát nem szimulációban hozták létre az egyedi részecskeállapotot, így első ízben tudták megfigyelni az atomoknak ezt a régóta kutatott elrendezését, amelyet SU(N) Hubbard modellnek hívnak. Az SU a speciális szimmetriájú egységre, az N a résztvevő atomok spinjére, perdületére utal, és ugyan ennek a szerkezetnek az SU (2) változatát már más kísérletekben is megalkották, de az SU (6)-ot, azaz a hat irányú spinnel rendelkező atomok csoportját most először készítették el. Az ultrahideg itterbium atomok ebben az elrendezésben egymással kölcsönös összefüggésben állnak és meghatározott, szimmetrikus rendszert alkotnak, a köztük kialakuló mágneses korreláció pedig nyilvánvalóvá válik az optikai rácsokkal csapdába ejtett atomok elrendezését vizsgálva.

Az optikai rácsot lézerek segítségével alakítják ki a kutatók és az állóhullámokól álló alakzat egyfajta tojástartóra hasonlít, ahol az üregekben helyezkednek el az atomok. A mélyedésekből nehezen tudnak kijutni, ha mégis megtörténne, akkor a fény intenzitásának módosításával lehet növelni az elválasztó falak magasságát. Ebben a formációban az ultrahideg atomok könnyebben tanulmányozhatóvá válnak, mivel nem mozdulnak el adott pozíciójukból.

A japán és amerikai fizikusok által vizsgált fermionokat elsősorban a köztük lévő kapcsolat és szimmetria szemszögéből elemezték, hogy a kollektív viselkedésük törvényszerűségeibe alaposabb betekintést nyerjenek. Az SU (6) modell nagyobb rendezettségű, mint a kevesebb spinű csoportoké (minél nagyobb az SU(N) egyenletben az N értéke, annál magasabb a szimmetria foka) és a kiotói laboratóriumban végett kísérletben létrehozott modell olyan komplex, hogy még szuperszámítógépekkel sem lehetne kiszámítani az így létrejövő mágneses korrelációk mértékét a Rice leírása szerint.

"Ez a valódi oka annak, hogy elvégeztük ezt a kísérletet. Mert nagyon szeretnénk megismerni ennek az SU(N) modellnek a fizikáját."

- mondta el Kaden Hazzard, a Rice Kvantum Kezdeményezés szervezetének tagja.

A szimmetria megértése azonban nem csak a kutatók kíváncsisága miatt lényeges, az atomok közötti összefüggés és rendezettség a különféle anyagok állapotainak és a fázisátmeneteinek jellemzőit is feltárhatja. Ha a szakértők alaposabb ismereteket szerezhetnek az egzotikus jelenségekről, az hozzájárulhat, hogy a laboratóriumokban olyan anyagokat állítsanak elő, amelyek jobban megfelelnek a különböző felhasználási céloknak.

(Fotó: Ella Maru Studio/K. Hazzard/Rice University, NIST)