Particulele elementare au o proprietate fundamentală numită “spin” care determină alinierea acestora într-un câmp magnetic. Cercetătorii de la MIT au creat un sistem fizic în care atomii cu spin în sens orar se mişcă într-o singură direcţie.
Atomii cu spin antiorar se mişcă în direcţia opusă. Particulele elementare au o proprietate numită “spin” care poate fi percepută ca şi rotaţie în jurul propriilor axe. În lucrarea publicată în această săptămână în revista Physical Review Letters, fizicienii de la MIT au impus un set clar de reguli pentru mişcarea particulelor într-un gaz: cele care au o rotaţie în sens orar se pot deplasa doar într-o singură direcţie, în timp ce particulele care se rotesc în sens antiorar se pot deplasa doar în direcţia opusă.
Materialele cu această proprietate specifică ar putea fi folosite ca dispozitive cu circuite de tip “spintronic” care se bazează pe spin şi nu pe curent electric pentru a transmite informaţia. Legătura dintre rotaţia particulelor şi direcţia lor de deplasare este crucială în crearea unui aşa-numit superfluid topologic, un ingredient cheie pentru câteva propuneri de computere cuantice.
Echipa de la MIT, condusă de Martin Zwierlein, profesor asociat de fizică şi prim-cercetător la Research Laboratory of Electronics (RLE), a observat această corelaţie între rotaţie și viteză într-un gaz super-răcit şi diluat. Asemenea electronilor atomii din gaz sunt fermioni, particule ce nu se pot afla în aceeaşi stare cuantică; în consecinţă, fiecare atom va trebui să aibă o combinaţie diferită de viteză şi spin.
În procesul aranjării în stări cuantice individuale, atomii care se deplasează foarte rapid spre stânga se rotesc într-un sens, în timp ce atomii care se mişcă foarte rapid spre dreapta se vor roti în sens opus. “Ce se întâmplă cu atomii a căror viteză este între cele două extreme?” întreabă Zvierlein. “Mecanica cuantică dă un răspuns surprinzător: se pot roti în ambele sensuri.”
Sistemele fizice care corelează spinul şi viteza ar putea deschide uşile unei noi abordări a computerelor cuantice, dispozitive teoretice care ar executa unele tipuri de operaţii semnificativ mai rapid decât computerele curente. Avantajul vitezei vine din faptul că aceste computere profită de fenomenul de superpoziţie, abilitatea particulelor minuscule – cum ar fi atomii ce se rotesc în ambele sensuri deodată – de a se afla în mai mult de o stare fizică la un moment dat.
Obstacolul major în construirea computerelor cuantice este că superpoziţia este foarte dificil de menţinut. În teorie, superfluidele topologice dau naştere unor particule numite fermioni Majorama care sunt mult mai greu de scos din starea de superpoziţie decât alte particule.
În precedentele experimente, cercetătorii de la RLE au creat un superfluid – un gaz lipsit de frecări – din atomi de Litiu. În noul experiment, cercetătorii au folosit raze laser pentru a încercui un nor de litiu de cu diametru de circa 50 micrometri. Atomii au fost răciți până la o miliardime de grad peste zero absolut. La aceste temperaturi, mecanica cuantică descrie comportamentul gazului.
Cercetătorii au luminat gazul cu două raze laser, aranjând atomii pe doua culoare, fiecare conținând atomi cu același spin care se deplasează în aceeași direcţie. Pentru prima dată, corelaţia dintre spinul și viteza atomilor a fost măsurată direct într-un sistem atomic.
“Sistemul combinat de atomi ultrareci şi lumina îndreptată înspre ei formează un material cu proprietăţi unice,” afirma Lawrence Cheuk, prim-autor al lucrării şi absolvent al departamentului de fizică de la MIT. “Gazul se comportă precum o diodă cuantică, un mecanism care reglează fluxul de curenţi de spin.”
Echipa de cercetare condusă de Zwierlein mai include, atât pe Cheul cât şi pe Ariel Sommer absolvent al MIT şi postdoctoranzii Tarik Yesah şi Waseem Bakr – toţi membri ai Center for Ultracold Atoms din cadrul MIT – precum şi un profesorul Zoran Hadzibabic oaspete de la Universitatea Cambridge.
Superfluidele topologice sunt o stare rară a materiei care pot fi deosebite prin topologia lor, aceasta fiind o descriere generală a geometriei lor. Spre exemplu, orice obiect care are o gaură, de pildă o gogoaşa, este topologic identic cu orice alt obiect cu o gaură, indiferent cât de distorsionat ar fi – dar un obiect cu o gaură este diferit faţă de un obiect fără găuri sau sau de un unul cu două găuri. “Proprietăţile topologice ale stărilor cuantice reduc susceptibilitatea la zgomot de fond din partea mediului înconjurător, ceea ce ar însemna resurse nepreţuite pentru memorii cuantice și procesoare de informaţii“ afirmă Swierlein.
Ian Spielman, fizician la National Institute of Standards and Technology şi la Joint Quantum Institute de la Universitatea Maryland, a demonstrat anterior corelaţia dintre spin şi viteză în gaze Bose sau gaze boson. (Toate particulele din care este formată material sunt fie bosoni fie fermioni.) “Gazele Bose sunt minunate, dar nu se întrevede formarea unui superfluid topologic din ele,” Spielman says, “Este nevoie de fermioni.”
În noile experimente, cercetătorii de la MIT “au demonstrat o nouă tehnică excelentă de măsurare, care este opusă celei folosite în sisteme de materie condensată convenţionale,” spune Spielman. În metoda convenţională, “se foloseşte raza de lumină pentru a înlătura electroni şi se măsoară energia şi momentul electronului înlăturat,” spune Spielman. “Martin a făcut ceva destul de isteţ şi anume contrariul – a luat atomii şi i-au băgat în starea care îi interesa, punând apoi întrebarea, “Care este energia şi momentul atomilor introduşi în acea stare?”
Alţi cercetători încearcă să creeze sisteme topologice nu atât în gaze cât în materiale cum ar fi fire superconductoare. Dar tehnica de măsurare a cercetătorilor nu funcţionează în cazul materialelor solide, afirmă Spielman. Mai mult decât atât, “Ce încercăm cu adevărat să facem este să extindem aria de existenţă a superfluidului topologic,” spune Spielman. “Într-un sistem material care este puternic dezordonat, nu există un nucleu de superlichid topologic, sunt o multitudine de formaţiuni. şi probabil la marginea acestor formaţiuni s-ar afla puţini fermioni Majorama – ceea ce este grozav, dar este o configuraţie extrem de complexă. Însă atomii răciţi nu se confruntă cu această situaţie.”
Traducere după one-way-street-atoms de Răzvan Gavrilă.
