Кључ невидљивости: Научници извели чудан квантни експеримент /видео/
CC0 / Pixabay/merlinlightpainting /
Пратите нас
Научници су извели експеримент који је произвео чудан квантни ефекат у ком је облак гаса постао невидљив пошто је охлађен на одређену температуру и доведен до стања велике густине.
Експеримент су извели научници са Масачусетског института за технологију (МИТ), користећи ласере да згусну и охладе литијумов гас на температуру блиску апсолутној нули (минус 273,15 степени Целзијуса“, како би постао потпуно невидљив.
Чудан квантни ефекат, пример Паулијевог блокирања
Чудан ефекат је први пут показан у реалности, а ради се о примеру квантне механике познатом као Паулијево блокирање.
„Приметили смо веома посебну и једноставну форму Паулијевог блокирања, која спречава атом да ради оно што атоми природно раде - распршују светлост“, каже један од вођа студије Волфганг Кетерле, професор физике и добитник Нобелове награде за физику 2001.
Он објашњава да се ради о првом јасном практичном примеру да такав ефекат постоји и показује нови феномен у физици, преноси Лајвсајенс.
Нова техника могла би да буде коришћена у развоју материјала који пригушују светлост, како би се спречио губитак информација у квантним компјутерима.
Паулијево блокирање део је Паулијевог принципа искључења, који је формулисао познати аустријски физичар Волфганг Паули још 1925. године. Паули је претпостављао да све фермионске честице, као што су протони, неутрони и електрони, које су у истом квантном стању, не могу да постоје у истом простору.
Пошто на одређеном квантном нивоу постоји коначан број енергетских стања, то приморава електроне у атому да се сложе у нивое више енергије, који орбитирају даље од језгра атома. То такође држи раздвојеним електроне посебних атома, јер би у супротном, како је објаснио физичар Фриман Дајсон у раду из 1967. године, без принципа искључења, сви атоми заједно колабирали ослобађајући енормну енергију.
Physicists have shown that as atoms are chilled and squeezed to extremes, their ability to scatter light is suppressed, making them less visible. “This is the first clear observation that this effect exists.” says Wolfgang Ketterle. https://t.co/fLOIZckw6A pic.twitter.com/xMcFA1HjLu
— Massachusetts Institute of Technology (MIT) (@MIT) November 19, 2021
Принцип искључења примењује се такође и на гасове. Уобичајено је да атоми у облаку гаса имају много простора за кретање, па иако они могу бити фермиони ограничени Паулијевим принципом искључења, имају довољно незаузетих енергетских нивоа на које могу да „прескоче“ како Паулијев принцип не би ометао њихово кретање.
Уколико фотон или честица светлости уђу у релативно топао облак гаса, сваки атом у који „удари“ моћи ће да ступи у интеракцију са њим, апсорбујући његов долазни моменат, повлачећи се на други енергетски ниво и распршујући фотон.
Међутим, ако се гас охлади, ствари су другачије. У том случају атоми ослобађају енергију, попуњавајући сва најнижа стања и формирајући материју познату као Фермијево море. Честице су тада повезане једна са другом и не могу да се пењу на више енергетске нивое или да падају на ниже.
Атоми не распршују светлост
Научници објашњавају да у том тренутку честице не могу да се покрећу ако их погоди светлосна честица или фотон и не могу да уђу у интеракцију са њим. Због тога ни не могу да распрше светлосну честицу, већ она пролази кроз облак гаса и тако га чини невидљивим.
„Атом може да распрши фотон само ако може да апсорбује снагу његовог „удара“, померајући се на друго место. Ако су сва друга места заузета, атом више не може да апсорбује снагу фотона и да га распрши, те постаје провидан“, каже Кетерле.
Међутим, веома је тешко довести облак атома у такво стање. Не само да мора да буде охлађен на веома ниске температуре, већ атоми морају да буду згуснути на рекордне вредности густине. Зато су научници, пошто су „ухватили“ гас у „атомску клопку“, морали и да га бомбардују ласером, односно да претворе фотоне у ласерски зрак, како би се сударали само са атомима који се крећу у супротном смеру. На тај начин атоми су се успоравали и хладили.
Научници су „заледили“ свој литијумски облак на 20 микрокелвина, што је тек нешто изнад апсолутне нуле. Потом су користили други ласер, који је био „тесно“ фокусиран како би згуснули атоме на рекордну густину од једне билијарде (јединица и 15 нула) атома по кубном центиметру.
На крају су искористили трећи ласерски зрак, који је пажљиво калибрисан како не би пореметио температуру и густину облака, да би га изложили фотонима.
Употреба у квантним рачунарима
Хиперсензитивном камером су снимали колико је фотона распршено при судару са облаком. Као што је теорија и предвиђала, охлађени и згуснути облак распршивао је 38 одсто мање светлости него облак на уобичајеној температури, па је био и „невидљивији“.
Друга два тима урадила су исто са облацима гасова сачињеним од других елемената, стронцијума и калијума и добили су сличне резултате.
Резултати овог експеримента објављени су у часопису „Сајенс“, а научници би на основу њега могли да креирају материјале који би могли да се користе у квантним компјутерима. Квантни компјутери који су у развоју имају један озбиљан проблем, такозвану квантну декохеренцију, односно губитак квантних информација које преноси светлост и које се због тога расипају у окружењу.
„Распршивање светлости је у квантном свету проблем јер значи да информације „цуре“ из компјутера. Ово је један начин на који бисмо могли да спречимо распршивање светлости и дођемо до начина да контролишемо свет атома“, каже Кетерле.
