Nelengva užduotis
MIT mokslininkai lazeriais suspaudė ir atšaldė ličio dujas iki tokio tankio ir temperatūros, kad jos išsklaidė mažiau šviesos. Jei pavyktų jas atšaldyti dar arčiau absoliutaus nulio (−273,15℃), jos turėtų tapti visiškai nematomos.
Šis keistas efektas yra pirmasis kvantinės mechanikos proceso, vadinamo Paulio blokavimu, pavyzdys.
„Tai, ką stebėjome, yra labai speciali ir paprasta Paulio blokavimo forma, kuri neleidžia atomams daryti to, ką atomai įprastai daro: sklaido šviesą“, − sako MIT fizikos profesorius ir tyrimo vyr. autorius Wolfgangas Ketterle. − „Tai yra pirmasis aiškus šio efekto egzistavimo liudijimas, rodantis naują fizikos reiškinį.“
Naujoji technika galėtų būti panaudota šviesą slopinančių medžiagų kūrimui, kurios neleistų kvantiniams kompiuteriams prarasti informacijos.
Paulio blokavimas kyla iš Paulio draudimo principo, kurį pirmas 1925 metais suformulavo garsusis Austrijos fizikas Wolfgangas Paulis. Paulis postulavo, kad tos pačios kvantinės būsenos fermionai — protonai, neutronai, elektronai, etc — negali užimti tos pačios vietos.
Kadangi kvantiniame lygyje yra baigtinis energijų lygių skaičius, atomų elektronai pasiskirsto po branduolį supančias vis didesnės energijos elektronų orbitales. Tas pats principas išlaiko skirtingų atomų elektronus atskirai, nes, kaip rašoma 1967 m. straipsnyje, kurio viena iš autorių buvo garsusis fizikas Freemanas Dysonas, be draudimo principo visi atomai kolapsuotų, išskirdami daugybę energijos.
Taip ne tik tampa įmanomi visi periodinės sistemos elementai, bet ir galime tvirtai stovėti ant žemės, užuot prasmegę iki Žemės centro.
Tas pats draudimo principas galioja ir dujų atomams. Įprastai dujose aplink atomus būna daugybė laisvos vietos, tad, nors jei ir yra Paulio draudimui principui paklūstantys fermionai, neužimtų energijos lygių pakanka, kad galėtų juos užimti, praktiškai be jokio poveikio judėjimui. Šviesos dalelei – fotonui – sklindant per santykinai šiltas dujas, bet kuris atomas, į kurį jis atsitrenks, galės sugerti fotono momentą, peršokti į kitą energijos lygį ir fotoną išsklaidyti.
Bet dujas atšaldžius, reikalai pasikeičia. Atomai praranda energiją, užpildydami visus prieinamus žemiausius lygius ir suformuodami materiją, vadinamą Fermi jūrą. Taip dalelės viena kitą suvaržo ir negali pereiti į aukštesnius energijos lygius ar nusileisti į žemesnius.
Tuomet jos būna susigrūdusios ankštai kaip žiūrovai parteryje per anšlagą ir jeigu jas kas stumteli – tarkime, šviesos fotonas – niekur pasitraukti negali, vaizdžiai paaiškino tyrėjai. Taip randasi Paulio blokada ir šviesa paprasčiausiai eina kiaurai, nesutrikdyta.
„Atomas fotoną gali išsklaidyti tik tada, jei gali absorbuoti jo smūgio jėgą, persėsdamas į kitą kėdę. Jei visos kitos kėdės užimtos, sugerti ir išsklaidyti fotonų dalelė nebegali. Tad, atomas tampa skaidrus“ paaiškino Ketterle.
Tačiau sukurti tokią atomų debesėlio būseną yra labai nelengva. Atomus reikia ne tik neįtikėtinai smarkiai atšaldyti, bet ir rekordiškai suspausti. Tai buvo delikati užduotis, tad sugriebę dujas atominiuose spąstuose, tyrėjai smogė jiems lazeriu.
Šiuo atveju tyrėjai lazerį suderino taip, kad generuojami fotonai susidurtų tik su tais atomais, kurie juda priešinga kryptimi, juos pristabdytų ir taip atšaldytų. Tyrėjai ličio debesį atšaldė iki 20 µK (mikrokelvinų). Tuomet antru, stipriai sufokusuotu lazeriu suspaudė atomus iki rekordinio tankio, maždaug 1×10¹⁵ atomų kubiniame centimetre.
Tada, siekdami patikrinti, kaip atšaldytiems atomams sekasi slėptis, fizikai trečiu ir paskutiniu lazerio spinduliu — kruopščiai sukalibruotu nepakeisti dujų temperatūros ar tankio — apšvietė atomus ir hiperjautria kamera suskaičiavo jų išsklaidytus fotonus. Kaip teorija prognozavo, jų atšaldyti ir suspausti atomai išsklaidė 38% mažiau šviesos, nei kambario temperatūroje, todėl atrodė gerokai blankesni.
Kitos dvi nepriklausomos komandos efektui patikrinti taip pat atšaldė dvi jau kitokias dujas, kalio ir stroncio. Tyrėjai, atlikdami eksperimentą su stronciu, sužadintų atomų Paulio blokados būseną išlaikė ilgiau. Visi trys straipsniai, kuriais demonstruojama Paulio blokavimą, buvo publikuoti lapkričio 18 dienos Science žurnale.
Dabar, kai tyrėjai pagaliau pademonstravo Paulio blokavimo efektą, jie galės panaudoti tai, kurdami šviesą slopinančias medžiagas. Ypač tai pasitarnaus didinant kvantinių kompiuterių efektyvumą, kuriam dabar smarkiai kliudo kvantinė dekoherencija — šviesa pernešamos kvantinės informacijos praradimas į kompiuterio aplinką.
„Kai užsiimame kvantinio pasaulio kontrole, kaip kvantiniuose kompiuteriuose, šviesos sklaidymas yra problema, nes taip iš kvantinio kompiuterio informacija nuteka“, − sakė W.Ketterle. − „Tai yra vienas iš būdų slopinti šviesos sklaidymą, ir mes prisidedame prie bendro atominio pasaulio kontroliavimo reikalo.“
