Naukowcy unijni osiągnęli nowy stan w fizyce kwantowej
Naukowcy z Austrii, których prace finansowane są ze środków unijnych, badający fizykę ultrazimnych atomów wygenerowali egzotyczny stan, w którym atomy układają się w szeregu w jednowymiarową strukturę, tworząc stabilną "fazę wielu ciał" z nowymi stanami kwantowo-mechanicznymi. Ich odkrycie, opisane w czasopiśmie Science, otwiera nowy obszar badań w fizyce kwantowej. Wyniki stanowią dorobek projektu NAME-QUAM (Nanoprojektowanie atomowej i molekularnej materii kwantowej), sfinansowanego na kwotę 2 mln EUR z tematu "Technologie informacyjne i komunikacyjne" Siódmego Programu Ramowego (7PR). Partnerzy NAME-QUAM badają technologie ultrazimnych atomów i molekularnej materii kwantowej, aby zidentyfikować nowe kierunki i alternatywne podejścia do skalowalnego i miniaturyzowalnego przetwarzania informacji kwantowej. Naukowcy specjalizujący się w dziedzinie "fizyki kwantowej wielu ciał" zaobserwowali radykalne wzmocnienie skutków fluktuacji kwantowych, kiedy interakcje między cząstkami są silne, a geometria systemu prosta. Dobrze znane przykłady obejmują zero-wymiarowe kropki kwantowe i jednowymiarowe druty kwantowe. Jednakże osiągnięcie fazy stanu wzbudzonego, który będzie również długożyciowy jest trudne w warunkach doświadczalnych, ponieważ systemy szybko rozpadają się, po części z powodu "sprzęgania" ze środowiskiem. W ramach ostatnich badań, zespół pod kierunkiem Hannsa-Christopha Naegerla z Uniwersytetu w Innsbrucku, Austria, dostrzegł potencjał ultrazimnych atomów w generowaniu długożyciowej, silnie oddziałującej wzajemnie, wzbudzonej fazy wielu ciał. Zimne atomy mogą z łatwością odprzęgać się do środowiska - jak dowodzi zespół - a ich interakcje są "przestrajalne". "Ultrazimne gazy kwantowe mają ogromny atut - można je całkiem łatwo wyizolować ze środowiska" - mówi dr Naegerl. Bozony to cząstki, które mogą zajmować ten sam stan kwantowy; innymi słowy, bozony o tej samej energii mogą zajmować to samo miejsce w przestrzeni. Na bozony zaobserwowane doświadczalnie składają się fotony, które są nośnikami siły pola elektromagnetycznego oraz gluony, które są nośnikami siły będącej źródłem dużej siły jądrowej. Naukowcy wytworzyli w komorze próżniowej gaz kwantowy, składający się z bozonowych atomów cezu. Następnie wytworzyli sieć optyczną za pomocą dwóch wiązek laserowych. Sieć umieściła atomy w pionowych, jednowymiarowych "rurkach", w których znajdowało się ustawionych w szeregu do 15 atomów. Wiązki laserowe uniemożliwiały atomom wychodzenie z szeregu lub zmianę miejsca. Naukowcy, osiągnąwszy ten stan, wykorzystali pole magnetyczne w celu dostrojenia interakcji między atomami. "Po zwiększeniu energii interakcji między atomami (przyciąganie), atomy zaczynają się gromadzić i struktura szybko się rozpada" - wyjaśnia dr Naegerl. To zjawisko nazywane jest "efektem Bosenova". Kiedy energia interakcji jest zminimalizowana, atomy są w stanie odpychać się zamiast przyciągać, co umożliwia im ustawienie się w równym i regularnym szeregu w pionie, wzdłuż jednowymiarowej struktury. Powstający w ten sposób system jest stabilny. Naukowcy zaobserwowali zaskakujący efekt, kiedy interakcje silnie odpychające zamieniono na silne przyciągające. Uzyskali "egzotyczną fazę przypominającą gaz, w której atomy są wzbudzone i skorelowane, ale nie łączą się i nie ma efektu Bosenova" - jak informuje dr Naegerl. Zdaniem członka zespołu badawczego, Elmara Hallera z Uniwersytetu w Innsbrucku, fazę tę przewidziano już cztery lata temu. "Udało nam się po raz pierwszy osiągnąć ją doświadczalnie" - stwierdził. Procedura i instalacje doświadczalne zostaną wykorzystane w dalszych badaniach nad właściwościami drutów kwantowych, których obserwacja sprawiała jak dotąd ogromne trudności. Dalsze badania nad strukturami niskowymiarowymi mogą również przynieść nowe dane na temat funkcjonowania nadprzewodników wysokotemperaturowych. Badania uzyskały dofinansowanie z programu EuroQUASAR (Inicjatywa finansowania wielodyscyplinarnych badań w dziedzinie standardów kwantowych i metrologii) Europejskiej Fundacji Nauki w ramach wspólnego projektu badawczego "Kwantowo zdegenerowane gazy do precyzyjnych pomiarów". Jeden z naukowców uzyskał również międzynarodowe stypendium Marie Curie dla przyjeżdżających naukowców z 7PR.
Kraje
Austria