Ultrahideg lézercsapda

A kutatók célirányosan megtervezett ultrahideg lézercsapda segítségével figyelték meg a normál fázisból a szuperfolyadék fázisba való átmenet kvantum prekurzorát (elő-anyagát, -állapotát), ami lehetőséget adott a kollektív atomi viselkedés megjelenésének és a makroszkopikus rendszerek határainak tanulmányozására. 

A sok testes fizika tudományterülete nagyszámú részecske, például egy vödör víz vagy egy gázpalack kollektív viselkedésének leírására és megértésére törekszik.

Ezeket az anyagokat sűrűségük vagy hőmérsékletük alapján írhatjuk le, vagyis annak alapján, ahogyan az anyag egészében hat.

A makroszkopikus vagy sok testes rendszereket nem lehet megérteni pusztán az egyes atomok vagy molekulák viselkedésének tanulmányozásával, mivel viselkedésük a részecskék közötti kölcsönhatásokból fakad. Ezek egyenként nem rendelkeznek a rendszer egészével azonos tulajdonságokkal. Néhány példán keresztül érzékeltetve a dolgot, ilyen mikroszkopikusan nem leírható makroszkopikus viselkedést mutat az olyan kollektív gerjesztés, mint a fononok, melyek a kristályrácsban késztetik oszcillációra az atomokat. 

Fázisátalakulás

A fázisátalakulás is jó példa erre, amikor egy anyag az egyik fázisából a másikba alakul át, például amikor a jég folyadékká olvad, vagy amikor a folyadék gázzá párolog. A fizikusok régóta igyekeznek megérteni, hogy ez a kollektív viselkedés miként alakul ki az egyes részecskék fokozatos összeállásával.

A Heidelbergi Egyetem kutatócsoportja egy szorosan fókuszált lézersugár segítségével ejtette csapdába a lítium-6-nak nevezett stabil lítium-izotóp ultrahideg atomjait. Ha gázban az abszolút nulla fok közelébe hűtjük, ez a fermionos izotóp szuperfolyadékként viselkedhet, nullára redukálódó viszkozitással. A lézercsapdán belül lehetséges volt kis számú lítium atom csapdázása is, amivel gyakorlatilag szimulálni lehetett az anyag kvantumos viselkedését. 

A rendszeren belül a Feshbach-rezonanciák segítségével hangolták az atomok közötti interakciókat. Ezek a rezonanciák akkor fordulnak elő, amikor két egymással kölcsönhatásban lévő atom energiája egy molekuláris kötés állapotával kerül rezonanciába, és felhasználhatók arra, hogy megváltoztassák a részecskék közötti kölcsönhatás erősségét.

2, 6, 12

A kísérletekben kettő, hat vagy 12 lítium-6 atomot ejtettek lézercsapdába, hogy kiderüljön mikor kezdenek el az atomok összehangoltan viselkedni. "Egyrészt a részecskék száma elég kicsi ahhoz, hogy mikroszkopikusan is leírják a rendszert. Másrészt a kollektív hatások már nyilvánvalón megmutatkoznak" - magyarázta Luca Bayha vezető kutató.  

A kutatók kipróbálták a csapdát a bezárt atomokkal a nulla vonzóerőtől egészen az olyan erős vonzóerőig, hogy az atomok kötött párokban sűrűsödtek össze. Ez az állapot már a fermionikus szuperfolyadékok jellemzője, melyben a fermionikus részecskéknek olyan Cooper-párokként kell összekapcsolódniuk, melyek bozonokként viselkednek. A bozonok nehezebb részecskék, melyek magasabb hőmérsékleten lépnek szuperfolyadék fázisba mint a fermionok.

A kísérletek során a kutatók megfigyelték, hogy mikor alakul ki a kollektív viselkedés, a részecskék száma és a közöttük lévő kölcsönhatás ereje alapján. Megállapították, hogy a részecskék gerjesztésének mértéke nem csupán a közöttük lévő vonzóerő erősségéhez kapcsolódott, hanem a Cooper-párokból álló  szuperfolyadékká válás kvantum fázis-átmenetének kevés-testes előfutárai is voltak. 

"Kísérletünk meglepő eredménye, hogy mindössze hat atom együtt, már a fázisátalakulás összes jellemzőjét hordozza, melyet egy sok részecskés rendszertől elvárunk"

- mondta Marvin Holten fizikus. A kutatók által alkalmazott részecske kontrollálás mértéke a jövőben más kutatásokhoz is hasznos lehet majd, például a kvantumrendszerekben, a termalizáció folyamatának tanulmányozásánál. Emellett lehetővé teszi a fermionos szuperfolyadékok alapvető szinten történő vizsgálatát, és a Cooper-párok nagyobb rendszerekben való megjelenésének vizsgálatát is. A kutatásból készült tanulmány a Nature- ben jelent meg.

(Forrás: Heidelberg University Kép: Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre)

Ez is érdekelhet:

Kutatók létrehozták az első tartós, nagy távolságú kvantum-teleportációt A kutatás megalapozhatja a működőképes kvantum internetet, ami olyan hálózat lehet, melyben a qubitekben tárolt információt nagy távolságokon keresztül osztják meg kvantum-összefonódás útján, ami átalakíthatja az adattárolás, a precíziós érzékelés és a számítások elvégzésének területeit.

Kína is elérte a kvantumfölényt A Google tavaly ősszel érte el a kvantumfölényt, amikor Sycamore nevű kvantumprocesszoruk, három és fél perc alatt megoldott egy olyan a feladatot, ami a világ legerősebb szuperkomputerének, tízezer évig tartott volna. Kína tegnap szintén bejelentette a kvantumfölényt, kvantumszámítógépük tízmilliárdszor gyorsabb az amerikainál. Tíz. Milliárdszor. Gyorsabb.

Kvantumhálózatok és az idő olvadó kristályai A kvantumszámítástechnika és kvantum-informatika a kvantum-kutatás két legérdekesebb területe, bár a kvantum számítógép és a kvantum-internet még várat magára. A megoldást ugyanakkor talán már ismerjük, az időkristályok képében.