Végre bemutatták azt a furcsa kvantumhatást, amely láthatatlanná teheti az anyagot

Végre bebizonyosodott egy furcsa kvantumhatás, amelyet évtizedekkel ezelőtt megjósoltak. Ha egy gázfelhőt elég hideggé és sűrűvé tesznek, ak...

Végre bebizonyosodott egy furcsa kvantumhatás, amelyet évtizedekkel ezelőtt megjósoltak. Ha egy gázfelhőt elég hideggé és sűrűvé tesznek, akkor láthatatlanná válhat.

A tudósok a Massachusettsi Technológiai Intézetben (MIT) lézereket használtak, hogy összepréseljék és lehűtsék a lítium gáz sűrűségét és hőmérsékletét elég alacsonyra ahhoz, hogy kevesebb fényt szórjon szét.

Ha még közelebb tudják hűteni a felhőt az abszolút nullához (mínusz 273,15 Celsius fok), akkor azt mondják, hogy teljesen láthatatlanná válik.

A bizarr hatás a Pauli-tiltásnak nevezett kvantummechanikai folyamat első konkrét példája.

"Amit megfigyelhettünk, egy nagyon különleges és egyszerű formája a Pauli-tiltásnak, amely megakadályozza, hogy egy atom, amit minden atom természetesen tesz: szórja a fényt," mondta a tanulmány vezető szerzője Wolfgang Ketterle, az MIT fizika professzora. (1)

"Ez az első egyértelmű megfigyelés, hogy ez a hatás létezik, és egy új jelenséget mutat a fizikában."

Az új technikával fény elfojtó anyagokat lehetne kifejleszteni, hogy megakadályozzák az információvesztést a kvantumszámítógépekben.

A Pauli-tiltás a Pauli-féle kizárási elvből ered, amelyet először a híres osztrák fizikus, Wolfgang Pauli fogalmazott meg 1925-ben. Pauli azt állította, hogy az úgynevezett fermionrészecskék - mint például a protonok, neutronok és elektronok - nem létezhetnek egymással azonos kvantumállapotban ugyanabban a térben.

Mivel a kísérteties kvantumszinten csak véges számú energiaállapot létezik, ez arra kényszeríti az atomokban lévő elektronokat, hogy magasabb energiaszintű héjakba rakják magukat, amelyek egyre távolabb keringenek az atommagok körül. A különálló atomok elektronjait is távol tartja egymástól, mert a híres fizikus, Freeman Dyson 1967-es tanulmánya szerint a kizárási elv nélkül minden atom összeomlana, miközben hatalmas energiafelszabadulást okozna.

Ezek az eredmények nemcsak a periódusos rendszer elemeinek megdöbbentő változását idézik elő, hanem megakadályozzák, hogy a földet érő lábunk átessen a talajon, és a Föld középpontjába zuhanjon.

A kizárási elv a gázban lévő atomokra is vonatkozik. Általában a gázfelhőben lévő atomoknak sok helyük van a körbepattanásra, ami azt jelenti, hogy bár fermionokról van szó, amelyeket a Pauli-féle kizárási elv köt, van elég szabad energiaszint, amelyre átugorhatnak, hogy az elv ne akadályozza jelentősen a mozgásukat.

Ha egy fotont vagy fényrészecskét egy viszonylag meleg gázfelhőbe küldünk, minden atom, amelybe beleütközik, kölcsönhatásba léphet vele, elnyeli a bejövő lendületet, más energiaszintre tér vissza, és szétszórja a fotont.

De ha lehűtjük a gázt, már más a történet. Most az atomok energiát veszítenek, kitöltik az összes rendelkezésre álló legalacsonyabb állapotot, és egyfajta anyagot alkotnak, amelyet Fermi-tengernek neveznek. A részecskék most egymásba vannak zárva, nem tudnak magasabb energiaszintre feljutni, vagy alacsonyabbra leesni.

Ezen a ponton héjakba vannak rakva, mint az ülő koncertlátogatók egy teltházas arénában, és nincs hova menniük, ha eltalálják őket, magyarázták a kutatók. Annyira tele vannak, hogy a részecskék már nem képesek kölcsönhatásba lépni a fénnyel. A beküldött fény a Pauli-tiltás miatt egyszerűen áthalad rajta.

"Egy atom csak akkor tudja szétszórni a fotont, ha képes elnyelni az ütés erejét, ha egy másik székre költözik," - mondta Ketterle. "Ha az összes többi szék foglalt, már nem képes elnyelni az ütést és szétszórni a fotont. Így az atom átlátszóvá válik."

De nagyon nehéz egy atomfelhőt ebbe az állapotba hozni. Nem csak hihetetlenül alacsony hőmérsékletre van szüksége, hanem az atomokat is össze kell szorítani a sűrűség rögzítéséhez. Ez egy kényes feladat volt, ezért a kutatók, miután felszívták a gázt egy atomcsapdába, lézerrel lőtték azt.

Ebben az esetben a kutatók úgy hangolták be a lézersugár fotonjait, hogy csak a velük ellentétes irányba mozgó atomokkal ütközzenek, így az atomok lelassulnak, és emiatt lehűlnek. A kutatók lítiumfelhőjüket 20 mikrokelvinre fagyasztották le, ami valamivel az abszolút nulla felett van. Ezután egy második, szorosan fókuszált lézerrel az atomokat rekordsűrűségre, nagyjából 1 kvadrillió (1, majd 15 nulla) atom/köbcentiméterre préselték össze.

Ezután, hogy megfigyeljék, mennyire tették láthatatlanná túlhűtött atomjaikat, a fizikusok egy harmadik és egyben utolsó lézersugárral világították meg atomjaikat - gondosan kalibrálva, hogy ne változtassa meg a gáz hőmérsékletét vagy sűrűségét -, és egy túlérzékeny kamerával megszámolták a szórt fotonok számát. Amint azt elméletük megjósolta, a lehűtött és összenyomott atomjaik 38%-kal kevesebb fényt szórtak szét, mint szobahőmérsékleten, így jelentősen halványabbá tették őket.

Két másik független csapat két másik gázt is lehűtött, nevezetesen a káliumot és a stronciumot, hogy megmutassa a hatást. A stronciumkísérlet során a kutatók Pauli blokkolták a gerjesztett atomokat, hogy hosszabb ideig tartsák gerjesztett állapotban. Mindhárom tanulmány bizonyítja a Pauli-tiltást.

Most, hogy a kutatók végre kimutatták a Pauli-tiltást, végül felhasználhatják olyan anyagok kifejlesztésére, amelyek elnyomják a fényt. Ez különösen hasznos lenne a kvantumszámítógépek hatékonyságának javításához, amelyeket jelenleg akadályoz a kvantumdekoherencia – a (fény által hordozott) kvantuminformáció elvesztése a számítógép környezetében.

"Amikor mi irányítjuk a kvantumvilágot, például a kvantumszámítógépeknél, a fényszórás problémát jelent, és azt jelenti, hogy információ szivárog ki a kvantumszámítógépből," - mondta Ketterle. "Ez az egyik módja a fényszórás visszaszorításának, és ezzel hozzájárulunk az atomi világ szabályozásának általános témájához." (2)

(1) - https://www.eurekalert.org/news-releas
(2) - https://www.livescience.com/gas-made