High B/T FacilityO echipă internaţională de fizicieni a rescris o pagină din fizica cuantică folosind laboratorul Universităţii din Florida, denumit la un moment dat cel mai rece loc din Univers. Un articol publicat în numărul din 20 septembrie al revistei Nature descrie experimentul.

 

 

 

 

Mult din ceea ce ştim în materie de mecanică cuantică este doar la nivel teoretic şi testat prin modelare pe calculator, deoarece sistemele cuantice precum electronii care orbitează în jurul nucleului unui atom sunt dificil de localizat şi capturat cu suficientă precizie pentru a fi observaţi. Se poate, totuşi, să frânezi o particulă din mişcarea ei şi s-o observi în context cuantic prin expunerea acesteia la temperaturi foarte scăzute.

Un nou studiu, publicat în numărul din 20 septembrie al revistei Nature, descrie cum această abordare bazată pe "îngheţarea" contextului cuantic a fost recent folosită pentru a rescrie una din normele acceptate în fizica cuantică. "Trăim în era mecanicii cuantice", afirmă  Neil Sullivan, profesor de fizică şi director al Laboratorului Naţional High Magnetic Field al Universităţii Florida - locaţie pentru laboratorul Microkelvin unde se pot efectua experimente în lumea atomică la temperaturi apropiate de zero absolut (-273 grade Celsius).

"Dacă ţi s-a făcut vreodată o scanare RMN, implicit s–a folosit o tehnologie bazată pe fizica cuantică." Magnetul care alimentează un scanner RMN este o bobină supraconductoare adusă într-o stare cuantică de o cantitate de heliu lichid pe care o are în interiorul său. În interiorul bobinei, curentul electric nu întâmpină forţe de frecare. "Magneţii cuantici şi alte ciudăţenii ale mecanicii cuantice ar putea inspira următoarea mare descoperire în ştiinţa computerelor, a energiei alternative şi tehnologiei de transport, precum trenuri pe bază de levitaţie magnetică”, a afirmat Sullivan.

Dar inovaţia nu poate să se dezvolte fără un set riguros de proceduri care să-i ajute pe ingineri să înţeleagă aspectele fizicii cuantice şi acesta este punctul în care laboratorul Microkelvin se dovedeşte util. Este unul din puţinele laboratoare din lume echipat să obţină condiţii de temperatură extrem de scăzută, care sunt necesare pentru a frâna mişcarea haotică a particulelor subatomice ce alcătuiesc sistemele cuantice, astfel încât vitezele acestora să devină mai mici şi deci la un nivel în care particulele pot fi observate şi manipulate. 

"Temperatura într-o cameră normală este de aproximativ 300 de grade kelvin", afirmă Sullivan. "Hidrogenul lichid pompat într-o rachetă din Centrul Spaţial Kennedy are o temperatură de doar 20 grade kelvin." Fizicienii trebuie să răcească mediul experimental cuantic până la un 1 millikelvin, adică 1/1000 dintr-un Kelvin mai sus de zero absolut, sau -459.67 grade Fahrenheit, pentru a aduce materia pe un tărâm cu totul diferit, unde proprietăţile cuantice pot fi explorate. O stare fundamentală a mecanicii cuantice pe care fizicienii sunt nerăbdători s-o înţeleagă mai bine este starea fragilă, efemeră a materiei, numită şi starea de condensat Bose-Einstein.



În această stare, particulele individuale ce alcătuiesc materialul supus testării încep să acţioneze ca o unitate individuală, coerentă. Este o stare dificil de creat într-un context de laborator, dar care trebuie cercetată, pentru ca tehnologia viitoare să poată exploata din plin proprietăţile lumii cuantice. 

Fizicienii Tommaso Roscilde de la Universitatea Lyon şi  Rong Yu de la Universitatea Rice din Houston au dezvoltat ideile fundamentale pentru un astfel de studiu şi au cerut unui coleg, Armando Paduan-Filho de la Universitatea din  Sao Paulo din Brazilia, să producă un cristal folosit în astfel de experimente. "Măsurătorile noastre au testat cu precizie o predicţie importantă în legătură cu comportamentul condensatului Bose-Einstein", a afirmat Vivien Zapf, o cercetătoare de la Laboratorul Naţional High Magnetic Field din Los Alamos şi unul dintre susţinătorii înfocaţi ai unei colaborări internaţionale pe această temă.

Experimentul a monitorizat mişcarea atomică de spin a particulelor subatomice numite bosoni din cristal, pentru a se observa când anume se face tranziţia în starea de condensat Bose-Einstein şi a continuat cu răcirea cristalului până la temperatura exactă în care proprietăţile condensatului dispar. S-a observat fenomenul anticipat când s-a ajuns la o temperatură de 1 millikelvin. Cristalul folosit în experiment a fost îmbibat cu impurităţi pentru a crea un cadru experimental  cât mai aproape de lumea reală, a afirmat Zapf.

"Este bine de ştiu ce se întâmplă în condiţii de puritate a cristalului, dar lumea reală e plină de impurităţi şi deci e nevoie să înţelegem care sunt legile cuantice în acele situaţii." După ce s-au efectuat o serie de simulări în avans, cercetătorii au ştiut că experimentul va avea, în cele din urmă, nevoie de o temperatură de până la 1 millikelvin. "Trebuie mers la laboratorul Microkelvin pentru un astfel de experiment", a spus ea. Laboratorul se află în incinta Laboratorului National High Magnetic Field High B/T Facility al Universităţii Florida şi este finanţat de National Science Foundation. 

"Alte laboratoare pot ajunge la temperaturile extreme necesare experimentului, dar niciunul nu poate susţine aceste temperaturi destul de mult timp pentru a strânge toate informaţiile necesare pentru experiment. A fost nevoie de 6 luni pentru a obţine informaţiile necesare", a afirmat Liang Yin, un asistent care a operat echipamentul din laboratorul Microkelvin. "A fost nevoie de 6 luni deoarece câmpul magnetic folosit pentru a controla intensitatea undelor în cristal încălzeşte şi el, la rândul său, cristalul. Trebuie să fie ajustat foarte încet."

Rezultatele experimentului au rescris regulile care preziceau condiţiile în care ar apărea o tranziţie între două stări cuantice. "Toată comunitatea ştiinţifică va privi cu atentie ce se întâmplă, pe măsură ce vom dezvălui proprietăţile sistemelor cuantice la aceste temperaturi extrem de joase", a afirmat Sullivan.

"Un cablu supraconductor are aceste proprietăţi de supraconducţie datorită acestui concept de condensare Bose-Einstein. Dacă va fi să profităm la maximum de aceste descoperiri şi să le aplicăm în domeniul ştiinţelor computerelor sau a trenurilor pe bază de levitaţie magnetică, trebuie să înţelegem foarte bine aceste fenomene. "



Traducere realizată de Mihai Panoschi după quantum-theory, cu acordul Phys.org.

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.