Zarejestrowano zaburzenia w zgranych zespołach superzimnych atomów

Wyniki prac naukowców z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie, Danii i Niemiec to osiągnięcie na skalę światową, które ma szansę trafić do podręczników akademickich. Dokładne poznanie cech takich kwantowych fluktuacji jest niezwykle ważne, by jakość superprecyzyjnych pomiarów - m.in. dot. czasu - wznieść na zupełnie nowy poziom. Dzięki badaniom być może kiedyś uda się przyspieszyć rozwój technologii takich jak komputery kwantowe czy superdokładne detektory fal grawitacyjnych.

Kondensat Bosego-Einsteina to stan skupienia materii, który występuje w skrajnie niskich temperaturach, niewiele tylko wyższych od temperatury zera bezwzględnego (−273,15 stopni C). Atomy w kondensacie - chmura gazu przytrzymywana dodatkowo magnesami - przestają być tłumem indywidualistów bezładnie wpadających na siebie i poruszających się we wszystkie strony, a zaczynają tworzyć zgraną grupę, której członkowie zachowują się jak zespół cheerleaderek tańczący wspólny układ. A to dlatego, że cząstki tworzą wspólnie wielką falę materii. Kondensat Bosego-Einsteina zachowuje się więc jak „superatom”.

Są już nawet pomysły, jak wykorzystać ten niezwykły stan skupienia w praktyce. Kondensat Bosego-Einsteina przydać się może w superdokładnych urządzeniach mierzących czas, obroty - np. Ziemi - czy grawitację. "Na satelitach umieszczone są kwantowe zegary mierzące czas z ogromną dokładnością. Następna generacja tych zegarów nie będzie już jednak używać w pomiarach niezależnych atomów - jak dotąd - ale właśnie kondensatu Bosego-Einsteina" - mówi główny autor badania prof. Jan Arlt z duńskiego Uniwersytetu w Aarhus. Kolejny z autorów - dr Krzysztof Pawłowski z CFT PAN dodaje zaś, że "bardzo trudno manipulować pojedynczym atomem". "A kiedy używa się całej chmury o tych samych właściwościach - sygnał można zmierzyć z większą dokładnością niż sygnał z pojedynczego atomu" - wyjaśnia.

Od lat wiadomo było jednak, że w eksperymencie nie da się uzyskać sytuacji idealnej - zespół atomów w kondensacie Bosego-Einsteina nie jest w stanie wykonywać w spokoju swojego tańca. Ciągle bowiem ktoś zawraca mu głowę - w próbach przeszkadzają raz po raz chaotyczne atomy z zewnątrz, które niczym rugbistki wpadają w tłum "tańczących" cząstek. Nie było jednak wiadomo, jak wiele takich niesfornych atomów wpada na próbę i właściwie jak ich pojawienie się wpływa na pracę zespołu.

"Gdybyśmy schłodzili próbkę do zera absolutnego, fluktuacje by znikły. Ale tego nie jesteśmy w stanie zrobić w praktyce. Fluktuacje są więc nieuniknione" - zaznacza prof. Kazimierz Rzążewski z CFT PAN.

Możliwość oszacowania skali fluktuacji jest zaś o tyle istotna, że wpływa na jakość pomiaru, które za pomocą kondensatu Bosego-Einsteina się wykonuje.

"Dzięki naszym badaniom wiadomo, że kiedy taka rugbistka wbiegnie w grupę cheerleaderek i wybije z zespołu jedną z nich, sama stanie się cheerleaderką, a cheerleaderka - staje się rugbistką. Czasem jednak rugbistka wybija z grupy aż dwie cheerleaderki i zmienia się liczba osób w zespole. A wtedy pomiary, które wykonujemy - zostają zaburzone" - porównuje prof. Jan Arlt.

"W doświadczeniu prof. Jana Arlta udało się kontrolować liczbę atomów z taką precyzją, że kwantowe fluktuacje po raz pierwszy w historii stały się widoczne" - wyjaśnia prof. Rzążewski. A prof. Arlt uzupełnia: "Dzięki badaniom teoretycznym opracowanym tu, w Polsce, wiedzieliśmy, czego szukamy. Bo wcześniej dokładne parametry, jak wykonać pomiar, były nieznane".

Wyniki badań ukazały się w prestiżowym "Physical Review Letters" (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.163601). "Jeden z recenzentów napisał nam, że nasze badania trafią do następnej generacji podręczników, a o naszych badaniach będą się uczyć studenci" - uśmiecha się prof. Rzążewski.

Badania polskiego zespołu finansowane było w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki. (PAP)

Autorka: Ludwika Tomala

lt/ agt/