Fizycy z Uniwersytetu Cambridge po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowali, jak w ultrazimnym gazie rozplątuje się gąszcz maleńkich wirów kwantowych. Wyniki, opublikowane w „Physical Review Letters”, potwierdzają teorię tzw. turbulencji Vinena, którą dotąd badano głównie pośrednio.
Czym jest kondensat Bosego–Einsteina
Gdy chmurę atomów schłodzi się niemal do zera bezwzględnego, atomy mogą utworzyć kondensat Bosego–Einsteina (BEC). To egzotyczny stan materii, w którym atomy w całej chmurze dzielą jeden stan kwantowy. Zjawiska kwantowe, zwykle ograniczone do pojedynczych cząstek, ujawniają się wtedy w skali makroskopowej.
Taki płyn nie potrafi wirować swobodnie jak woda. Ruch obrotowy skupia się w cienkich nitkach, czyli wirach kwantowych, a każdy z nich niesie ściśle określoną, skwantowaną cyrkulację. Teoria turbulencji Vinena przewiduje, że świeżo powstały kondensat zawiera splątany kłąb takich nitek, który z czasem się rozplątuje. W nadciekłym helu widziano oznaki tego procesu, ale tylko pośrednio. W gazach atomowych wiry obrazowano głównie w układach płaskich, dwuwymiarowych. Aby sprawdzić teorię w gazie trójwymiarowym, trzeba było wiry zarówno zobaczyć, jak i policzyć.
Jak to zmierzono
Zespół pod kierunkiem Sebastiana Morrisa użył kondensatu atomów potasu uwięzionego w jednorodnej pułapce świetlnej w kształcie walca, o średnicy poniżej jednej dziesiątej milimetra. Najpierw gaz zaburzono, by rozbić jego uporządkowany stan, potem włączono oddziaływania między atomami i pozwolono układowi się uspokajać.
W wybranych momentach gaz uwalniano z pułapki, powiększano około 3,5 raza i fotografowano cienki przekrój chmury. Wiry były widoczne jako ciemne smugi w miejscach, gdzie nitki przecinały ten przekrój. Powtarzając eksperyment wiele razy, badacze oszacowali łączną długość nitek wirów przypadającą na jednostkę objętości gazu. Dzięki temu mogli porównać wynik z prawem opisującym, jak ta wielkość powinna maleć w czasie.
Co pokazały wyniki
- Zgodność z teorią: gęstość wirów malała tak, jak przewiduje turbulencja Vinena. Gęstsze kłęby zanikały szybciej, bo sąsiednie wiry oddziaływały ze sobą.
- Późniejsze spowolnienie: w dalszej fazie zanik zwalniał, ponieważ pozostałe wiry znikały na ściankach pułapki.
- Niezależność od oddziaływań: tempo zaniku nie zależało od siły oddziaływań między atomami.
- Podobieństwo do helu: po uwzględnieniu różnicy mas cząstek tempo zaniku było bliskie pomiarom w nadciekłym helu, choć oba płyny różnią się na poziomie mikroskopowym.
Wiry stawały się wyraźnie widoczne mniej więcej wtedy, gdy w atomach zaczynał pojawiać się wzorzec rosnącej koherencji kwantowej.
Co to oznacza w praktyce
To badanie podstawowe. Nie dotyczy gotowego urządzenia ani technologii, a jego znaczenie polega na lepszym zrozumieniu, jak zachowują się egzotyczne płyny kwantowe. Teorię, którą testowano dotąd głównie pośrednio, udało się sprawdzić na bezpośrednich obrazach, a to wzmacnia zaufanie do modeli opisujących powstawanie kondensatów z chaosu.
Dla polskiego czytelnika to przede wszystkim przykład tego, jak fizyka ultrazimnych gazów pozwala w laboratorium badać zjawiska trudne do obserwacji gdzie indziej. Praca z Cambridge nie ma bezpośredniego wpływu na codzienne życie w Polsce ani w Unii Europejskiej, ale poszerza wiedzę o materii w skrajnych warunkach, na której w przyszłości mogą opierać się kolejne badania.
Źródło: Phys.org – „Tangled quantum whirlpools caught unraveling in an ultracold gas”
