Ključ nevidljivosti: Naučnici izveli čudan kvantni eksperiment /video/
CC0 / Pixabay/merlinlightpainting /
Pratite nas
Naučnici su izveli eksperiment koji je proizveo čudan kvantni efekat u kom je oblak gasa postao nevidljiv pošto je ohlađen na određenu temperaturu i doveden do stanja velike gustine.
Eksperiment su izveli naučnici sa Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT), koristeći lasere da zgusnu i ohlade litijumov gas na temperaturu blisku apsolutnoj nuli (minus 273,15 stepeni Celzijusa“, kako bi postao potpuno nevidljiv.
Čudan kvantni efekat, primer Paulijevog blokiranja
Čudan efekat je prvi put pokazan u realnosti, a radi se o primeru kvantne mehanike poznatom kao Paulijevo blokiranje.
„Primetili smo veoma posebnu i jednostavnu formu Paulijevog blokiranja, koja sprečava atom da radi ono što atomi prirodno rade - raspršuju svetlost“, kaže jedan od vođa studije Volfgang Keterle, profesor fizike i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2001.
On objašnjava da se radi o prvom jasnom praktičnom primeru da takav efekat postoji i pokazuje novi fenomen u fizici, prenosi Lajvsajens.
Nova tehnika mogla bi da bude korišćena u razvoju materijala koji prigušuju svetlost, kako bi se sprečio gubitak informacija u kvantnim kompjuterima.
Paulijevo blokiranje deo je Paulijevog principa isključenja, koji je formulisao poznati austrijski fizičar Volfgang Pauli još 1925. godine. Pauli je pretpostavljao da sve fermionske čestice, kao što su protoni, neutroni i elektroni, koje su u istom kvantnom stanju, ne mogu da postoje u istom prostoru.
Pošto na određenom kvantnom nivou postoji konačan broj energetskih stanja, to primorava elektrone u atomu da se slože u nivoe više energije, koji orbitiraju dalje od jezgra atoma. To takođe drži razdvojenim elektrone posebnih atoma, jer bi u suprotnom, kako je objasnio fizičar Friman Dajson u radu iz 1967. godine, bez principa isključenja, svi atomi zajedno kolabirali oslobađajući enormnu energiju.
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
Princip isključenja primenjuje se takođe i na gasove. Uobičajeno je da atomi u oblaku gasa imaju mnogo prostora za kretanje, pa iako oni mogu biti fermioni ograničeni Paulijevim principom isključenja, imaju dovoljno nezauzetih energetskih nivoa na koje mogu da „preskoče“ kako Paulijev princip ne bi ometao njihovo kretanje.
Ukoliko foton ili čestica svetlosti uđu u relativno topao oblak gasa, svaki atom u koji „udari“ moći će da stupi u interakciju sa njim, apsorbujući njegov dolazni momenat, povlačeći se na drugi energetski nivo i raspršujući foton.
Međutim, ako se gas ohladi, stvari su drugačije. U tom slučaju atomi oslobađaju energiju, popunjavajući sva najniža stanja i formirajući materiju poznatu kao Fermijevo more. Čestice su tada povezane jedna sa drugom i ne mogu da se penju na više energetske nivoe ili da padaju na niže.
Atomi ne raspršuju svetlost
Naučnici objašnjavaju da u tom trenutku čestice ne mogu da se pokreću ako ih pogodi svetlosna čestica ili foton i ne mogu da uđu u interakciju sa njim. Zbog toga ni ne mogu da rasprše svetlosnu česticu, već ona prolazi kroz oblak gasa i tako ga čini nevidljivim.
„Atom može da rasprši foton samo ako može da apsorbuje snagu njegovog „udara“, pomerajući se na drugo mesto. Ako su sva druga mesta zauzeta, atom više ne može da apsorbuje snagu fotona i da ga rasprši, te postaje providan“, kaže Keterle.
Međutim, veoma je teško dovesti oblak atoma u takvo stanje. Ne samo da mora da bude ohlađen na veoma niske temperature, već atomi moraju da budu zgusnuti na rekordne vrednosti gustine. Zato su naučnici, pošto su „uhvatili“ gas u „atomsku klopku“, morali i da ga bombarduju laserom, odnosno da pretvore fotone u laserski zrak, kako bi se sudarali samo sa atomima koji se kreću u suprotnom smeru. Na taj način atomi su se usporavali i hladili.
Naučnici su „zaledili“ svoj litijumski oblak na 20 mikrokelvina, što je tek nešto iznad apsolutne nule. Potom su koristili drugi laser, koji je bio „tesno“ fokusiran kako bi zgusnuli atome na rekordnu gustinu od jedne bilijarde (jedinica i 15 nula) atoma po kubnom centimetru.
Na kraju su iskoristili treći laserski zrak, koji je pažljivo kalibrisan kako ne bi poremetio temperaturu i gustinu oblaka, da bi ga izložili fotonima.
Upotreba u kvantnim računarima
Hipersenzitivnom kamerom su snimali koliko je fotona raspršeno pri sudaru sa oblakom. Kao što je teorija i predviđala, ohlađeni i zgusnuti oblak raspršivao je 38 odsto manje svetlosti nego oblak na uobičajenoj temperaturi, pa je bio i „nevidljiviji“.
Druga dva tima uradila su isto sa oblacima gasova sačinjenim od drugih elemenata, stroncijuma i kalijuma i dobili su slične rezultate.
Rezultati ovog eksperimenta objavljeni su u časopisu „Sajens“, a naučnici bi na osnovu njega mogli da kreiraju materijale koji bi mogli da se koriste u kvantnim kompjuterima. Kvantni kompjuteri koji su u razvoju imaju jedan ozbiljan problem, takozvanu kvantnu dekoherenciju, odnosno gubitak kvantnih informacija koje prenosi svetlost i koje se zbog toga rasipaju u okruženju.
„Raspršivanje svetlosti je u kvantnom svetu problem jer znači da informacije „cure“ iz kompjutera. Ovo je jedan način na koji bismo mogli da sprečimo raspršivanje svetlosti i dođemo do načina da kontrolišemo svet atoma“, kaže Keterle.
