Natuurkundigen hebben ontdekt dat wolken van extreem koude atomen ‘kwantumtornado’s’ kunnen vormen

Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology zijn erin geslaagd om ‘kwantumtornado’s’ te creëren in wolken van extreem koude atomen, volgens laatste papier Gepubliceerd in tijdschrift Nature. Dit is de eerste directe Ter plekke Documenteren hoe snel draaiend kwantumgas evolueert, en volgens de auteurs is het proces vergelijkbaar met hoe de effecten van de rotatie van de aarde grootschalige weerpatronen kunnen veroorzaken.

MIT-wetenschappers waren geïnteresseerd in het bestuderen van de zogenaamde Quantum Hall-vloeistoffen. Quantum Hall-vloeistoffen werden voor het eerst ontdekt in de jaren tachtig en bestaan ​​uit wolken van elektronen die in magnetische velden drijven. In het klassieke systeem stoten de elektronen elkaar af en vormen een kristal. Maar in kwantum Hall-vloeistoffen bootsen elektronen het gedrag van hun buren na – bewijs van kwantumcorrelatie.

“Mensen hebben allerlei verbazingwekkende eigenschappen ontdekt, en de reden is dat in een magnetisch veld elektronen (klassiek) op hun plaats worden bevroren – al hun kinetische energie is uitgeschakeld en wat overblijft zijn pure interacties”, Co-auteur Richard Fletcher zei:, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. “Dus deze hele wereld verscheen. Maar het was erg moeilijk om op te merken en te begrijpen.”

Dus Fletcher en zijn collega’s dachten dat ze dit ongebruikelijke gedrag van elektronen zouden kunnen simuleren met behulp van wolken van ultrakoude kwantumgassen. bekend als Bose-Einstein-condensatoren (BEC’s)Deze gassen zijn genoemd ter ere van Albert Einstein en de Indiase natuurkundige Satyendra Bose. In de jaren twintig voorspelden Bose en Einstein de mogelijkheid dat de golfaard van atomen voortplanting en interferentie mogelijk zou maken als ze voldoende gegroepeerd waren.

Bij normale temperaturen gedragen de atomen zich als biljartballen en stuiteren ze op elkaar. Door de temperatuur te verlagen, neemt de snelheid af. Als de temperatuur laag genoeg daalt (miljardste graad boven het absolute nulpunt) en de atomen dicht genoeg op elkaar zijn gepakt, zullen de golven van verschillende materie elkaar kunnen “voelen” en zichzelf coördineren alsof ze een groot “superatoom” zijn. “

De eerste BEC’s waren: Gemaakt in 1995Binnen een paar jaar hadden meer dan dertig teams het experiment herhaald. de Nobelprijswinnaar ontdekking Hij lanceerde een geheel nieuwe tak van de natuurkunde. BEC’s Wetenschappers zijn erin geslaagd Om de vreemde kleine wereld van de kwantumfysica te bestuderen alsof ze er door een vergrootglas naar kijken, omdat BEC atomen “versterkt” op dezelfde manier als een laser fotonen versterkt.

Ultrakoude atomaire gassen zijn goed in het simuleren van elektronen in vaste stoffen, maar ze hebben geen lading. Deze neutraliteit kan het simuleren van verschijnselen zoals het kwantum Hall-effect een uitdaging maken. Het invoeren van zo’n neutraal regime is een manier om dit obstakel te overwinnen.

“We dachten: laten we deze koude atomen zich gedragen alsof ze elektronen in een magnetisch veld zijn, maar we kunnen het precies controleren,” Co-auteur Martin Zwierlein zei:Hij is ook een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. “Dan kunnen we visualiseren wat de individuele atomen doen en kijken of ze onderworpen zijn aan dezelfde fysica van de kwantummechanica.”

Met behulp van een laserval koelden de MIT-wetenschappers ongeveer een miljoen atomen natriumgas. De afgekoelde atomen worden op hun plaats gehouden door een magnetisch veld. De tweede stap is verdampingskoeling, waarbij een netwerk van magnetische velden samenspannen om de hetere atomen af ​​te weren, zodat de koelere atomen dichter bij elkaar kunnen komen. Het proces werkt op dezelfde manier als verdampingskoeling met een warme kop koffie: de heetste atomen stijgen naar de bovenkant van de magnetische val en “springen eruit” als stoom.

Deze zelfde magnetische velden kunnen ervoor zorgen dat de atomen in de val ongeveer 100 omwentelingen per seconde draaien. Deze beweging werd vastgelegd met een CCD-camera, dankzij de manier waarop natriumatomen fluoresceren als reactie op laserlicht. De atomen werpen een schaduw die vervolgens kan worden waargenomen met behulp van een techniek die absorptiebeeldvorming wordt genoemd.

Binnen 100 milliseconden draaiden de atomen tot een lange, dunne, naaldachtige structuur. In tegenstelling tot een conventionele vloeistof (zoals sigarettenrook), die zichzelf lichter houdt, heeft een kwantumvloeistof grenzen aan hoe dun een vloeistof kan worden. MIT-onderzoekers hebben ontdekt dat de naaldachtige structuren gevormd in hun ultrakoude gassen dit punt hebben bereikt. Onderzoekers beschreven hun spinkwantumgassen en gerelateerde bevindingen vorig jaar in de wetenschap.

Dit laatste onderzoek brengt de ervaring van MIT een stap verder door te onderzoeken hoe een naaldachtige vloeistof evolueert onder omstandigheden van pure spin en atomaire interacties. Het resultaat: er ontstond een kwantuminstabiliteit, waardoor de naald van de vloeistof ging trillen, en toen de schakelaar. Uiteindelijk kristalliseerde de vloeistof uit tot een reeks draaiende klodders die op tornado’s leken – een kwantumkristal dat volledig werd gevormd door atomaire interacties in het roterende gas. De evolutie is opvallend gelijkaardig aan de formaties genaamd Kelvin Helmholtz trok zich terugwaar de homogene wolk opeenvolgende vingers begint te vormen als gevolg van het verschil in snelheid (snelheid en richting) tussen windstromen in de atmosfeer.

“Deze ontwikkeling heeft betrekking op het idee hoe een vlinder in China hier een storm zou kunnen veroorzaken, vanwege de instabiliteit die de verstoringen veroorzaakte”, Zwerlin zei:. “Hier hebben we kwantumweer: de vloeistof valt, alleen al door zijn kwantuminstabiliteit, uiteen in deze kristalstructuur van kleinere wolken en wervelingen. En het is een doorbraak om deze kwantumeffecten uit de eerste hand te kunnen zien.”

Blijkbaar was dit gedrag voorspeld in vorige paper door andere natuurkundigen, die het MIT-team zojuist heeft ontdekt. Er zijn enkele potentiële praktische toepassingen van dit onderzoek, met name rotatiesensoren die zeer gevoelig zijn voor zeenavigatie. abonnementen Hangt ervan af werkgelegenheid glasvezelgyroscopen Om roterende beweging te detecteren wanneer ondergedompeld, waardoor een alarminterferentiepatroon wordt geproduceerd. Atomen bewegen langzamer dan licht, dus de kwantumtornadosensor zou gevoeliger zijn – en misschien gevoelig genoeg om subtiele veranderingen in de rotatie van de aarde te meten.

DOI: Natuur, 2022. 10.1038 / s41586-021-04170-2 (Over DOI’s).