Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie din Viena au studiat tranziţia sistemelor cuantice către echilibrul termic. Aceştia au detectat o stare intermediară, surprinzător de stabilă, între ordine şi dezordine. Rezultatele au fost publicate în jurnalul Science.
În fiecare zi observăm sisteme termalizându-se. Într-un vas cu apă caldă, cuburile de gheaţă se vor topi şi nu vor rămâne niciodată stabile. Moleculele din gheaţă şi moleculele din apă vor ajunge la un echilibru termic, atingând în cele din urmă aceeaşi temperatură. Cristalele de gheaţă bine ordonate se transformă într-un lichid dezordonat.
Pe un cip cu atomi (sus), nori atomici ultrareci (roşu) sunt creaţi. Atomilor li se permite să interfereze, rezultând astfel un model ordonat de interferenţă materie-undă (jos).
(Universitatea de Tehnologie din Viena)
Experimentele efectuate la Centrul de Ştiinţe Cuantice şi Tehnologie din Viena (VCQ), din cadrul Universităţii de Tehnologie din Viena, au arătat că în lumea atomică tranziţia către echilibrul termic este mult mai interesantă şi mai complicată decât s-a presupus până acum.
Între o stare iniţială ordonată şi o stare finală amestecată statistic, poate să apară o aşa-numită "stare intermediară quasi-staţionară". Această stare intermediară manifestă deja anumite proprietăţi asemănătoare stării de echilibru, dar ceva distinct din starea iniţială de ordine rămâne vizibil pentru o perioadă remarcabil de lungă.
Acest fenomen a fost numit "pre-termalizare". Predicţiile teoretice susţin că pre-termalizarea joacă un rol important în diverse procese de non-echilibru din fizica cuantică. Ar putea, de exemplu, să ne ajute să înţelegem starea Universului timpuriu, imediat după Big Bang.
Pentru a prepara norul de atomi ultrareci, o complicată punere în dispozitiv este necesară
(Universitatea de Tehnologie din Viena)
Nori de atomi ultrareci
"În experimentele noastre începem cu un gaz atomic uni-dimensional format din atomi ultrareci, aşa-numitul ‘condensat Bose-Einstein’, care este apoi rapid scindat în două, folosind un cip cu atomi", explică profesorul Jörg Schmiedmayer (Universitatea de Tehnologie din Viena). Când cele doua părţi ale condensatului sunt din nou reunite, ele creează un model ordonat de interferenţă materie-undă. "Forma acestui model ordonat de interferenţă ne arată că cei doi nori atomici nu au uitat că, la origine, au provenit din acelaşi nor de atomi", afirmă Jörg Schmiedmayer.
O nouă stare între Ordine şi Echilibru
După un anumit interval de timp, se aşteaptă ca norul scindat de atomi să tindă către echilibrul termic. Pe măsură ce intervalul de timp creşte, înainte ca cele două jumătăţi să fie reunite, ordinea observată în modelul de interferenţă se degradează. "Faptul uimitor cu privire la acest fenomen este că ordinea nu ajunge în mod direct la un minim. Mai întâi, se degradează rapid, dar rămâne apoi într-o stare intermediară - aşa numita "stare intermediară quasi-staţionară", afirmă Michael Gring (Universitatea de Tehnologie din Viena).
Grupul de cercetători ai profesorului Jörg Schmiedmayer au efectuat aceste experimente timp de mai mulţi ani."La început nu era clar cum să interpretăm acest fenomen. Experimentele au trebuit să fie îmbunătăţite şi teoria aferentă explicării acestor fenomene, dezvoltată”, a declarat Schmiedmayer. Printr-o cooperare strânsă cu grupul profesorului Eugene Demler de la Universitatea Harvard, aceste rezultate surprinzătoare au putut fi acum explicate. "Dezordinea observată în starea intermediară nu depinde de temperatura stării iniţiale. Ea este introdusă în sistem de legile fizicii cuantice atunci când norul de atomi este scindat în două", afirmă Schmiedmayer.
Reprezentarea 3d a interferenţei marginilor cu roşu (albastru) densitatea atomică mare (mică). Timpul creşte de jos în sus. La momentele iniţiale, chiar după scindarea norilor de atomi, marginile liniilor drepte reprezintă o creştere a ordinii în sistem. Pe măsură ce timpul trece, forma marginilor devine din ce în ce mai aleatoare, reprezentând pierdere de informaţie. (Universitatea de Tehnologie din Viena)
Fizica cuantică, departe de Echilibru
Tranziţia sistemelor către echilibrul termic este importantă în multe domenii ale fizicii cuantice – la urma urmei, un experiment cuantic nu poate fi niciodată efectuat la o temperatură de exact zero grade. Aşadar, oamenii de ştiinţă trebuie mereu să ia în calcul efecte de temperatură.
Dezvoltarea calculelor sau depozitarea datelor într-un computer cuantic creează inevitabil stări de non-echilibru, care (foarte asemănătoare cu cubul de gheaţă în apa caldă) tind către echilibrul termic, distrugând starea cuantică.
Ce putem învăţa din fenomenul norilor de atomi ultrareci pentru a înţelege Universul timpuriu?
Noua stare intermediară quasi-staţionară ar putea, de asemenea, să fie interesantă pentru fizica plasmei la nivelul subatomic quarc-gluon. Fracţiuni de secundă după Big Bang, toată materia din Univers era într-o stare de non-echilibru al plasmei quarc-gluon. Astăzi, plasma quarc-gluon este creată în acceleratoare mari de particule. Aceste experimente cu plasmă au arătat că anumite aspecte ale plasmei tind către echilibrul cosmic mult mai repede decât s-a presupus. Pentru a explica acest fenomen, a fost postulată "Pre-Termalizarea" într-un cadru teoretic dezvoltat de Universitatea Heidelberg. Cercetătorii speculează că acest lucru ar putea fi conectat cu o stare intermediară, similară cu cea descoperită în experimentul cu norii de atomi ultrareci de la Universitatea de Tehnologie din Viena.
Cipul cu atomi (Universitatea de Tehnologie din Viena)
Procesele asociate cu degradarea sistemelor cuantice către echilibrul termic ar putea, de asemenea, să ne dezvăluie mai multe despre relaţia dintre fizica cuantică şi clasica lume macrocosmică. "Norii de atomi ultrareci ne oferă posibilitatea de a studia în detaliu fascinanta trecere de la stările de non-echilibru către stările de echilibru termic", afirmă Jörg Schmiedmayer.
"În acest fel, sperăm să ajungem la o înţelegere aprofundată a proceselor cu non-echilibru, care sunt omiprezente în natură." Pentru acest experiment, un cip de atomi special a fost creat la Centrul de Structuri Micro şi Nano (ZMNS) de la Universitatea de Tehnologie din Viena.
Traducere după ultracold-atoms-reveal-quantum-effects de Mihai Panoschi
