Fyzici tvrdia, že našli nový spôsob, ako môže existovať kvantová hmota. Vytvára zvláštnu „kvapku“
Vedci objavili nový spôsob, ako sa môže hmota správať pri extrémnom chlade. Boseho-Fermiho kvapka sa dokáže udržať pokope sama.
Vedci z Monash University prišli s teoretickou predpoveďou, ktorá môže rozšíriť naše chápanie toho, ako sa správa hmota v extrémne chladných podmienkach. Fyzici ukázali, že zmes dvoch veľmi odlišných druhov kvantových častíc môže za určitých okolností vytvoriť stabilnú štruktúru, ktorá sa podobá kvapke kvapaliny.
Ide o takzvanú Boseho-Fermiho kvapku. Nejde však o obyčajnú kvapku vody alebo inej kvapaliny. Táto štruktúra vzniká vďaka pravidlám kvantovej mechaniky a môže existovať aj bez toho, aby ju držala pokope nádoba alebo iná vonkajšia sila.
Výskum publikoval tím z Monash School of Physics and Astronomy spolu s kolegami z Heidelbergskej univerzity v časopise Physical Review Letters. Vedci zároveň tvrdia, že ich predpoveď by mohli overiť existujúce experimenty s ultrachladnými atómami.
Dve úplne odlišné častice v jednej kvantovej zmesi
Aby si pochopil, čo je na tomto objave zaujímavé, treba najprv rozlíšiť dva základné typy častíc, bozóny a fermióny. Fermióny tvoria napríklad elektróny, protóny a neutróny. Riadi sa nimi princíp, podľa ktorého dve identické fermiónové častice nemôžu za rovnakých podmienok obsadiť úplne rovnaký kvantový stav. Táto vlastnosť má zásadný význam pre štruktúru atómov a vlastnosti hmoty.
Bozóny sa správajú inak. Za vhodných podmienok ich môže veľké množstvo obsadiť rovnaký kvantový stav a vytvoriť kolektívne kvantové správanie.
Neprehliadni
Fyzici preto získajú veľmi zaujímavý systém, keď tieto dva typy častíc zmiešajú. Doterajšie teoretické modely však mali problém opísať takéto zmesi v situácii, keď medzi časticami pôsobia veľmi silné interakcie. Práve na túto oblasť sa zameral tím okolo doktoranda Sama Fostera.
„Kvantové systémy sa môžu správať spôsobmi, ktoré sa v našom každodennom svete zdajú nemožné. Ukázali sme, že tieto dva veľmi odlišné typy častíc sa môžu dokonale vyvážiť a vytvoriť stabilnú kvapku, ktorá sa v podstate drží pokope sama,“ vysvetlil Foster.
Kvapka, ktorá sa nezrúti
Najzaujímavejšia vlastnosť predpovedanej štruktúry súvisí s tým, čo ju drží pokope. Pri obyčajnej kvapke kvapaliny rozhoduje napríklad povrchové napätie a ďalšie vlastnosti látky. Boseho-Fermiho kvapka však využíva úplne iný mechanizmus. V systéme pôsobí príťažlivá interakcia medzi časticami. Keby pôsobila sama, hmota by sa mohla stlačiť a zrútiť do oveľa hustejšieho stavu. Do hry však vstupujú fermióny. Ich kvantové vlastnosti vytvárajú tlak, ktorý pôsobí proti príťažlivosti. Výsledkom môže byť rovnováha, pri ktorej sa častice zoskupia do stabilnej kvantovej kvapky.
Zjednodušene povedané, jedna časť systému sa snaží častice pritiahnuť k sebe, zatiaľ čo druhá bráni prílišnému stlačeniu. Ak sa obe pôsobenia správne vyvážia, vznikne stabilná štruktúra. Takéto správanie fyzici predtým považovali v silne interagujúcich Boseho-Fermiho systémoch za veľmi nepravdepodobné.
Nový model zvládne aj silné interakcie
Práve tu sa nachádza jeden z hlavných prínosov práce. Staršie teoretické prístupy dokázali podobné systémy opisovať najmä v režime, kde častice medzi sebou interagovali pomerne slabo. Nový prístup umožňuje výskumníkom skúmať aj situácie, v ktorých interakcie výrazne zosilnejú.
„Predchádzajúce teórie dokázali tieto systémy opísať iba vtedy, keď častice interagovali relatívne slabo. Náš nový prístup nám umožňuje skúmať, čo sa stane, keď sú tieto interakcie oveľa silnejšie, a práve tam sa objavuje najzaujímavejšia fyzika,“ uviedol Foster.
Vedci pritom nepredpovedali iba samotnú existenciu kvapky. Ich výpočty naznačili aj oveľa bohatší systém rôznych kvantových fáz.
Jedna z nich vykazuje správanie pripomínajúce prechod medzi kvapalinou a plynom. V bežnom svete poznáš podobný proces napríklad pri zahrievaní vody, keď sa kvapalina zmení na paru. V kvantovom systéme však takéto prechody vznikajú v dôsledku úplne iných pravidiel a podmienok. To naznačuje, že zmes bozónov a fermiónov môže ponúknuť fyzikom nové prostredie na skúmanie toho, ako sa hmota organizuje v extrémnych podmienkach.
Experiment môže byť na dosah
Výhodou tejto predpovede je, že nejde o jav, ktorý by vyžadoval úplne novú technológiu. Podľa autorov by sa Boseho-Fermiho kvapky mohli vytvoriť pomocou existujúcich experimentálnych techník s ultrachladnými atómami. Ultrachladné atómy patria medzi dôležité nástroje modernej kvantovej fyziky. Vedci ich dokážu ochladiť na teploty veľmi blízke absolútnej nule a následne presne kontrolovať ich správanie. Takéto podmienky umožňujú sledovať kvantové javy, ktoré by pri bežných teplotách zostali skryté.
Ak experimentátori vytvoria podmienky zodpovedajúce výpočtom Monash University, mohli by zistiť, či sa predpovedaná kvapka skutočne objaví. To bude dôležitý krok, pretože zatiaľ ide o teoretickú predpoveď, nie o experimentálne potvrdený nový stav hmoty. Výskumníci však vidia širší význam práce. Lepšie pochopenie toho, ako sa hmota organizuje v extrémnych kvantových podmienkach, môže časom pomôcť pri vývoji spôsobov, ako kvantové systémy presnejšie ovládať.
„Pochopenie toho, ako sa hmota organizuje v extrémnych kvantových podmienkach, nám dáva nové nástroje na navrhovanie a ovládanie kvantových systémov. Hoci ide o základný výskum, takéto objavy často vytvoria základ pre budúce kvantové technológie,“ dodal Foster.
Priame využitie Boseho-Fermiho kvapiek v kvantových počítačoch alebo senzoroch teda zatiaľ nemožno považovať za hotovú vec. Výskum však ukazuje ďalšiu možnosť, ako môže fyzika pracovať s hmotou, ktorá sa v bežných podmienkach správa úplne inak. Ďalším prirodzeným krokom preto bude experimentálne overenie predpovede. Ak sa Boseho-Fermiho kvapku podarí vytvoriť a pozorovať, fyzici získajú nový systém, na ktorom môžu skúmať silné kvantové interakcie aj prechody medzi rôznymi stavmi hmoty.
