SAMSUNG_112021 SAMSUNG_112021 SAMSUNG_112021 Advertisement

Prvá demonštrácia kvantového efektu, ktorý urobí hmotu neviditeľnou

0

Vedci z Massachusettskej technickej univerzity preukázali podivný kvantový efekt, ktorý bol predpovedaný pred desiatkami rokov: ak urobíte dostatočne studený a hustý oblak plynu, môže sa stať neviditeľným. Tím použil lasery na stlačenie a ochladenie plynného lítia na hustoty a teploty dostatočne nízke na to, aby rozptyľovali menej svetla. Výskumníci hovoria, že ak dokážu ochladiť oblak ešte bližšie k absolútnej nule (mínus 273,15 stupňov Celzia), stane sa úplne neviditeľným. Tento bizarný efekt je vôbec prvým konkrétnym príkladom kvantovomechanického procesu nazývaného Pauliho blokovanie.

Nová technika by sa mohla použiť na vývoj materiálov potláčajúcich svetlo, aby sa zabránilo strate informácií (kvantovej dekoherencii) v kvantových počítačoch. Toto blokovanie vychádza z Pauliho vylučovacieho princípu, ktorý prvýkrát sformuloval známy rakúsky fyzik Wolfgang Pauli v roku 1925. Pauli predpokladal, že takzvané fermiónové častice (protóny, neutróny a elektróny) v tom istom kvantovom stave nemôžu existovať súčasne v rovnakom priestore. 

Pretože na kvantovej úrovni existuje len konečný počet energetických stavov, núti to elektróny v atómoch, aby sa ukladali do obalov vyšších energetických hladín, ktoré obiehajú stále ďalej okolo atómových jadier. Zároveň to udržiava elektróny jednotlivých atómov od seba, pretože podľa článku z roku 1967, ktorého spoluautorom bol známy fyzik Freeman Dyson, by sa bez vylučovacieho princípu všetky atómy zrútili dokopy, pričom by došlo k obrovskému uvoľneniu energie.

Vylučovací princíp platí aj pre atómy v plyne. Atómy v plynnom oblaku majú zvyčajne veľa priestoru na preskakovanie, čo znamená, že aj keď môžu byť fermióny viazané Pauliho vylučovacím princípom, existuje dostatok neobsadených energetických hladín, do ktorých môžu preskočiť, aby princíp výrazne nebránil ich pohybu. Ak pošlete fotón do relatívne teplého oblaku plynu, každý atóm, na ktorý narazí, s ním bude môcť interagovať a absorbovať jeho hybnosť, vrátiť sa na inú energetickú hladinu a rozptýliť fotón preč. No ak plyn ochladíte, situácia sa zmení.

Atómy strácajú energiu, zapĺňajú všetky najnižšie dostupné stavy a vytvárajú typ hmoty nazývaný Fermiho more. Častice sa teraz navzájom obklopujú, nemôžu sa pohybovať na vyššie energetické úrovne ani klesať na nižšie. Sú naukladané v obaloch ako návštevníci koncertov sediaci vo vypredanom hľadisku a už nie sú schopné interagovať so svetlom. Ak pošlete do systému svetlo, nastane Pauliho blokovanie a svetlo jednoducho prejde rovno. Atóm môže rozptýliť fotón iba vtedy, ak dokáže absorbovať silu jeho nárazu tým, že sa presunie na iné „kreslo“.

Ak sú všetky „kreslá“ obsadené, nemá schopnosť absorbovať náraz a rozptýliť fotón. Atóm sa tak stane priehľadným, vysvetľujú výskumníci. No dostať oblak atómov do tohto stavu je veľmi ťažké. Vyžaduje to nielen extrémne nízke teploty, ale aj stlačenie atómov na veľkú hustotu, čo je veľmi náročná úloha. Vedci po zachytení plynu v atómovej pasci doň nasmerovali laserový lúč. Fotóny v laserovom lúči vyladili tak, aby sa zrazili iba s atómami pohybujúcimi sa v opačnom smere, čím sa atómy spomalili, a preto sa ochladili. Výskumníci zmrazili svoj lítiový oblak na 20 mikrokelvinov, čo je tesne nad absolútnou nulou.

Potom použili druhý, presne zaostrený laser na stlačenie atómov na rekordnú hustotu približne 1 biliarda (jednotka nasledovaná 15 nulami) atómov na centimeter kubický. Potom, aby videli, ako sa ich ochladené atómy zamaskovali, fyzici vyžiarili tretí a posledný laserový lúč – starostlivo kalibrovaný tak, aby nemenil teplotu alebo hustotu plynu – na ich atómy a pomocou hypercitlivej kamery zrátali počet rozptýlených fotónov.

Ako predpovedala ich teória, ochladené a stlačené atómy rozptýli o 38 percent menej svetla ako tie pri izbovej teplote. Dva iné nezávislé tímy ochladili aj ďalšie dva plyny, konkrétne draslík a stroncium, aby tiež preukázali tento účinok. Všetky tri práce demonštrujúce Pauliho blokovanie boli publikované 18. novembra v časopise Science. Po tom, čo výskumníci preukázali Pauliho blokovací efekt, mohli by ho nakoniec využiť na vývoj materiálov, ktoré prepúšťajú svetlo.

Zdroj: sciencealert.com.

Zobrazit Galériu

Redakcia

Všetky autorove články

Pridať komentár

Mohlo by vás zaujímať

Mohlo by vás zaujímať