Az MIT (Massachusettsi Műszaki Intézet) kutatói először fotózták le az atomokat szabad állapotukban, láthatóvá téve a viselkedésüket, és egyúttal felfedve olyan kvantumjelenségeket, amelyeket eddig nem sikerült közvetlenül megfigyelni.

“Képesek voltunk meglátni az egyes atomokat ezekben az izgalmas atomfelhőkben, és azt is, hogy mit csinálnak egymással.”

- mondta el Martin Zwierlein, a kutatás vezetője.

A kísérlet során a kutatók egy újonnan kifejlesztett módszert alkalmaztak az atomok befogására: először csapdába ejtették az atomokat lézernyaláb segítségével, amelyek így szabadon mozogtak a lézer által kijelölt korlátok között, de nem tudtak kijutni belőle. Ezután egy rácsos alakzatban sugárzott fénynyalábbal megállították a részecskéket, amelyek a fény hatására “megdermedtek”, így meg lehetett határozni a pozíciójukat. Ehhez egy második lézersugarat használtak a kutatók, amely megvilágította a mozdulatlan atomokat, és a fluoreszkálásuk felfedte az egyénenkénti helyzetüket. A hirtelen megmerevedett atomoknak nem csak az éppen aktuális állapota, hanem a többi atommal való interakciója is jól megfigyelhetővé vált ezzel a módszerrel, ezáltal fény derült rá, mit is csinálnak az atomfelhő egyes tagjai, miközben szabadon kóborolnak a felhőn belül.

A kísérletben kétféle atomfelhőt vettek szemügyre a fizikusok, az egyiket bozonok, a másikat fermionok alkották: előbbit nátriumatomok, utóbbit lítiumatomok segítségével hozták létre. A bozonfelhőben a várakozásnak megfelelően zajlottak az események, éppen úgy, ahogyan azt az elméletekben már korábban megjósolták a szakértők, vagyis az atomok gyorsan csoportokba rendeződtek a hullámszerű tulajdonságuk miatt. A bozonok ugyanis rendelkeznek egy különleges képességgel, amit de Broglie-hullámnak neveznek Louis de Broglie francia fizikus után, aki 1924-ben vetette fel az ötletet, miszerint a részecskék hullámként is viselkedhetnek.

A makroszkopikus világban ez a tulajdonság lényegében láthatatlan, de a kvantumvilágban megfigyelhető, ahogy azt a mostani kísérletben bizonyították a kutatók.

A bozonok csoportosulását, ami a de Broglie-hullám következménye, azonban nagyon nehéz közvetlenül megfigyelni, egészen idáig nem is sikerült, így ez az első eset, hogy a jelenséget megörökítették a képeken.

A lítiumatomok felhőjét illetően szintén különleges interakcióknak voltak szemtanúi a kutatók: a megfigyelések szerint az egymással ellentétes fermion típusok elkezdték vonzani egymást, és párokat alkottak - ami szintén az előzetes elképzeléseknek megfelelő viselkedés a fermionok esetében.

A mostani megfigyelések is megmutatták az atomok “mindennapjainak” eddig rejtett oldalait, de a jövőben még egzotikusabb jelenségeket terveznek feltérképezni a bevált módszerrel, például a kvantumos Hall-effektust, ami az MIT jellemzése szerint egészen bizarr állapotát jelenti a részecskéknek. Az effektus erős mágneses mező jelenlétében alakul ki, és ez jelenti azt a pontot, ahol “az elméletek igazán bonyolulttá válnak” - írja az MIT, ezért a közvetlen megfigyelés sokat segíthet a működésének pontos megértésében.

(Fotó: Sampson Wilcox, Zwierlein et al/Phys. Rev. Lett. 134, 183402 )