Naukowcy z EPFL odkryli nowy sposób tworzenia struktury krystalicznej zwanej „falą gęstości” w gazie atomowym. Odkrycia mogą pomóc nam lepiej zrozumieć zachowanie materii kwantowej, jednego z najbardziej złożonych problemów fizyki.
“Zimne gazy atomowe były w przeszłości dobrze znane ze zdolności do “programowania” interakcji między atomami” – mówi profesor Jean-Philippe Brantut z EPFL. „Nasz eksperyment podwaja tę zdolność!” Współpracując z grupą profesora Helmuta Ritscha z Uniwersytetu w Innsbrucku, dokonali przełomu, który może mieć wpływ nie tylko na badania kwantowe, ale także na technologie kwantowe w przyszłości.
Fale gęstości
Naukowców od dawna interesuje zrozumienie, w jaki sposób materiały samoorganizują się w złożone struktury, takie jak kryształy. W często tajemniczym świecie fizyki kwantowej ten rodzaj samoorganizacji cząstek jest widoczny w „falach gęstości”, gdzie cząstki układają się w regularny, powtarzalny wzór lub „porządk”; jak grupa ludzi w różnokolorowych koszulkach stojących w rzędzie, ale w układzie, w którym żadne dwie osoby w tej samej koszulce nie stoją obok siebie.
Fale gęstości obserwuje się w różnych materiałach, w tym w metalach, izolatorach i nadprzewodnikach. Jednak badanie ich było trudne, zwłaszcza gdy ten porządek (wzorce cząstek na fali) występuje z innymi rodzajami organizacji, takimi jak nadciekłość – właściwość, która pozwala cząstkom płynąć bez oporu.
Warto zauważyć, że nadciekłość nie jest tylko teoretyczną ciekawostką; ma ogromne znaczenie dla opracowywania materiałów o unikalnych właściwościach, takich jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, które może prowadzić do bardziej wydajnego transferu i magazynowania energii, lub do budowy komputerów kwantowych.
Strojenie gazu Fermiego za pomocą światła
Aby zbadać tę zależność, Brantut i jego współpracownicy stworzyli „jednolity gaz Fermiego”, rzadki gaz złożony z atomów litu schłodzonych do ekstremalnie niskich temperatur, w którym atomy bardzo często zderzają się ze sobą.
Następnie naukowcy umieścili ten gaz we wnęce optycznej, urządzeniu służącym do ograniczania światła na małej przestrzeni przez dłuższy czas. Wnęki optyczne składają się z dwóch skierowanych do siebie luster, które tysiące razy odbijają wpadające między nimi światło tam iz powrotem, umożliwiając gromadzenie się cząstek światła, fotonów, wewnątrz wnęki.
W badaniu naukowcy wykorzystali wnękę, aby spowodować interakcję cząstek w gazie Fermiego na duże odległości: pierwszy atom wyemitowałby foton, który odbija się od zwierciadeł, który następnie jest ponownie absorbowany przez drugi atom gazu, niezależnie od tego, jak daleko jest od pierwszego. Kiedy wystarczająco dużo fotonów zostanie wyemitowanych i ponownie wchłoniętych – łatwo dostrojonych w eksperymencie – atomy zbiorowo organizują się we wzór fali gęstości.
„Kombinacja atomów zderzających się bezpośrednio ze sobą w gazie Fermiego, przy jednoczesnej wymianie fotonów na dużą odległość, jest nowym rodzajem materii, w której interakcje są ekstremalne” – mówi Brantut. „Mamy nadzieję, że to, co tam zobaczymy, poprawi nasze zrozumienie niektórych z najbardziej złożonych materiałów spotykanych w fizyce”.