Neobična kvantna stanja ultrahladnih atoma na stazi

Nova metoda otvara nove mogućnosti istrage

Slike atomskog oblaka nakon slobodnog širenja © Uni Mainz
čitati naglas

U pravilima kvantne mehanike zapravo je ugrađena slučajnost: kad pustite atome koji se drže odvojeno jedan od drugog i kasnije ih preispitate, trebali su biti nasumično raspoređeni. U stvari, iako je položaj atoma nepredvidiv, njihova raspodjela nije posve slučajna.

Ako atome ostavite izvan rešetke svjetlosti, oni će provesti neko vrijeme kasnije, poželjno na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Istraživači sa sveučilišta Johannes Gutenberg Mainz izlaze u trenutnom broju znanstvenog časopisa "Nature" o dokazima takvih interakcija koje bi trebale pružiti informacije o ponašanju atoma u rešetkama. Takve zamke služe kao modelni modeli za efekte čvrstog stanja poput magnetizma ili supravodljivosti.

Robert Hanbury Brown i Richard Twiss pokazali su u senzacionalnom eksperimentu 1956. godine da identične čestice poslane nasumično i neovisno iz više izvora ne dolaze na odredište potpuno neovisno jedna o drugoj - čak i ako nema međusobne interakcije ili komunikacije, Razlog za to leži u takozvanoj kvantnoj statistici: Svaki objekt u prirodi pripada jednoj od dviju klasa čestica. Ovisno o tome koji moment se okreće ili "vrti", to je ili bozon ili fermion. Bozoni imaju karakteristiku da više vole ostati na istom mjestu čak i bez privlačnosti.

Promjena u oblaku

Fizičari sa Sveučilišta Johannes Gutenberg u Mainzu sada su u eksperimentu pokazali kako se ovaj učinak može iskoristiti za dobivanje podataka o posebnim stanjima ultrahladnih atoma. Riječ je o plinskim oblacima iz ekstremno hladnih atoma, neposredno iznad apsolutne nulte temperature od oko minus 273 stupnja Celzijusa. Prvo se prenose u takozvani Bose-Einstein kondenzat (BEC), a zatim se drže u mreži svjetlosnih zraka.

Karakter plinskog oblaka bitno se mijenja. U stanju BEC-a atomi su "delokalizirani", oni su, da tako kažem, na svim mjestima rešetke istovremeno. Ali ako je mreža postavljena jača, uža ili dublja, oblak se transformira u takozvani "Mott izolator". Sad su svi atomi čvrsto smješteni na rešetkom. prikaz

Sada se čestice puštaju iz mreže i atomski se oblak širi u svim smjerovima. Budući da se materija ponaša poput vala pri niskim temperaturama i svi atomi u izvornom BEC stanju počinju s svakog mjesta rešetke u isto vrijeme, postoji efekt smetnji: atom može letjeti s rešetke samo u određenim smjerovima, slično obojenom Svjetlo sa mrežnog uzorka CD-a zrcali se u različitim smjerovima.

Nakon što su atomi kratko letjeli, određuje se fotografskom slikom, kako su sada raspoređeni. U slučaju Bose-Einsteinovog kondenzata, atomi, kao što je prikazano na fotografiji, ostaju samo na određenim točkama u prostoru i opet su raspoređeni u obliku rešetke.

Nema nasumične raspodjele

U Mott državi, s druge strane, svaki atom polazi od samo jednog, vlastitog rešetkastog mjesta, i kreće se sasvim nasumično u bilo kojem smjeru bez smetnji. Uključivanje tako proširenog atomskog oblaka pokazuje slučajnu raspodjelu atoma bez strukture - jesu li atomi iz mreže ili nisu iz drugog izvora, više nije vidljivo.

Međutim, atomi nisu potpuno nasumično raspoređeni: budući da su bozoni, nekoliko njih ima tendenciju da se nalaze na istom mjestu. Ali ne samo to, čak ni činjenica da su atomi izvan mreže

dođu, ostavljaju svoje tragove nasumičnim uzorkom: atomi radije ostaju na specifičnim udaljenostima jedan od drugog, što ih daje rešetka zamke. Što je bliža izvorna mreža, to su veće udaljenosti.

Te se osobitosti raspodjele dobivaju analizom slučajnih fluktuacija, to jest buke, na slikama proširenih atomskih oblaka. Metodu je nedavno predložila grupa teoretičara Sveučilišta Harvard, a sada se po prvi put povlači eksperimentom iz Mainza. "Ovo je prvi put da se pravilna struktura atomskog oblaka može analizirati u dubokoj svjetlosnoj mreži", objasnio je prof. Dr. Med. Immanuel Bloch s Instituta za fiziku. "A imamo nove elegantne dokaze o učinku Hanbury Brown Twiss na ultrahladne atome."

Atomi u rešetkastim zamkama smatraju se modelnim sustavima za mikroskopsku strukturu kristala, supravodiča, magneta i poluvodiča. Stoga se znanstvenici nadaju da će nova metoda otvoriti nove mogućnosti za dešifriranje struktura tih tvari.

(Sveučilište Mainz, 29.03.2005. - NPO)