Atomy zrobione w jajo

Wyobraźmy sobie kurze jajka umieszczone w tekturowych wytłoczkach. Zręcznym ruchem odwracamy wytłoczki tak, by jaja wpadły na głęboki talerz. A one - zamiast pozostać na miejscach lub sturlać się w stronę środka talerza - zaczynają… uciekać z naczynia. W makroskali - to raczej niemożliwe. W świecie kwantów natomiast są warunki, w których da się coś podobnego zrobić. Pokazują to w swoich badaniach naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.

W swoim artykule naukowym w "Physical Review A" grupa prof. Krzysztofa Pawłowskiego przeprowadziła obliczenia dotyczące takiego oto układu: ustawiamy w rzędzie atomy schłodzone niemal do zera absolutnego. Używamy do tego sieci optycznej. Atomy silnie odpychają się wtedy, gdy znajdują się w jednym oczku sieci. Przyciągają zaś, ale słabo, gdy są w sąsiednich oczkach.

Wróćmy do analogii z jajkami. Sieć optyczna to kartonowe pudełko na jajka. W jednym zagłębieniu mieści się jedno jajko. Jeżeli na zajęte miejsce wpadnie drugie jajko, będzie na tyle niestabilne, że łatwo przeturla się do sąsiedniego zagłębienia. Dwa jajka z sąsiednich dziurek będą z kolei się przyciągać na tyle słabo, że nie przeskoczą w to samo zagłębienie, ale też nie będą chciały uciec od siebie gdzieś dalej.

Wtedy zgrabnym ruchem odwracamy wytłoczkę, stawiamy jajka na dużym talerzu i zabieramy pudełko. Wracając do świata atomów - można to zrobić zmieniając pole magnetyczne tak, by atomy przyciągały się również wtedy, gdy znajdują się tym samym oczku sieci. Taką szybką zmianę fizycy nazywają quenchem.

"Spodziewaliśmy się, że atomy pozostaną na swoich miejscach tak, jak to ma miejsce w przypadku sztuczki z wytłoczkami - opowiada Nauce w Polsce Maciej Marciniak, autor obliczeń. - Nie zaskoczyłoby nas też, gdyby atomy chciały wszystkie zgromadzić się w jednym miejscu, przecież po quenchu wszystkie oddziaływania są przyciągające".

I rzeczywiście są warunki, kiedy dzieje się tak, jak podpowiada intuicja.

"W pewnych przypadkach stan układu nie ulega zmianie po quenchu. Fenomen ten znany jest pod nazwą efektu super-Tonksa-Girardeau" - komentuje w wypowiedzi dla Nauki w Polsce prof. Pawłowski.

Zaskoczeniem dla naukowców jednak było zachowanie się układu, kiedy warunki do zaistnienia efektu super-Tonksa-Girardeau nie były spełnione.

Teoretyczne wyliczenia Polaków pokazują, że atomy w takiej sytuacji zaczynają się od siebie oddalać, choć na pierwszy rzut oka - nie powinny. "To tak, jak gdybyśmy ułożyli w linii magnesy tak, by się wzajemnie przyciągały, a one zaczęłyby się odpychać" - porównują autorzy badania. Jak to się dzieje?

W pierwszym przypadku - kiedy zachodzi efekt super-Tonksa-Girardeau - stan początkowy układu jest też możliwym stanem kwantowym układu z czysto przyciągającymi oddziaływaniami. Innymi słowy, zarówno jajka w wytłoczkach, jak i przełożone na talerz mogą utrzymać się w dokładnie tym samym miejscu.

Natomiast w przypadku opisanym przez warszawskich fizyków warunki są inne - taki stan równowagi nie istnieje. Syzyfową pracą byłaby próba ułożenia na talerzu jajek w ten sam sposób, co w wytłoczkach. Jajka nie będą chciały stać w miejscu, niezależnie od tego, co zrobimy. Zaczną się odpychać i uciekną na boki.

Jak to sobie można wyobrazić w praktyce? "Rozważamy ciecz, z dość typowym oddziaływaniem między atomami, które ją tworzą: atomy lekko się przyciągają, jeśli są daleko, ale bardzo odpychają, jeśli są zbyt blisko. Okazuje się, że po skokowej zmianie oddziaływania (co jest możliwe w obecnej technologii) tak, aby atomy przyciągały się bez względu na odległość, taka kropla nie tylko nie zaczyna się skupiać, ale wręcz przeciwnie - powoli paruje" - wyjaśniają badacze.

Ten nieintuicyjny efekt jest efektem zasady zachowania energii i kwantowych korelacji między atomami. Może posłużyć do testowania efektów kwantowych i próbkowania faz kwantowych.

"Mamy nadzieję, że efekt ten zostanie niedługo zaobserwowany eksperymentalnie. To pozwoliłoby na ciągłą weryfikację naszej wiedzy o najchłodniejszej materii we Wszechświecie" - kwitują naukowcy.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/