Фізики притиснули атоми ближче, ніж будь-коли та виявили неможливі квантові ефекти

За допомогою лазерів фізики змогли притиснути два шари дуже холодних атомів на відстань лише 50 нанометрів, що в 10 разів ближче, ніж в інших експериментах. У результаті вчені виявили незвичайні квантові ефекти, які не бачили раніше. Така близькість атомів дасть фізикам змогу фізикам уперше вивчити квантові взаємодії в такому масштабі та може призвести до створення інноваційних надпровідників і квантових комп'ютерів. Результати дослідження були опубліковані в журналі Science, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Незвичайна матерія

Дивна квантова поведінка атомів починає виникати, коли їх охолоджують до наднизьких температур, близьких до абсолютного нуля. У цьому випадку атоми займають найнижчий із можливих енергетичних станів. За словами вчених, у цьому випадку часто виникає такий тип матерії як конденсат Бозе — Ейнштейна, коли всі частинки поводяться як хвилі. У підсумку вони стають квантово-механічними об'єктами. Про те, що таке цей вищевказаний дивний стан матерії, Фокус уже докладно писав.

Взаємодії між окремими атомами мають важливе значення для розуміння таких квантових явищ як надпровідність і надвипромінювання. Але сила таких взаємодій залежить від відстані між атомами.

Складнощі з перевіркою теорій

За словами вчених, більшість атомів, які використовуються в експериментах із ультрахолодною матерією, повинні розташовуватися дуже близько, щоб вступати у взаємодію і можна було вивчити квантові ефекти.

У межах нового дослідження вчені використовували два шари з атомів диспрозію, які можуть взаємодіяти один із одним на великих відстанях за допомогою диполь-дипольних взаємодій. Але є квантові явища, які неможливо побачити на такій відстані між атомами, адже дипольна взаємодія дуже слабка.

Зблизити дуже холодні атоми й водночас зберегти контроль над їхніми квантовими станами дуже складно. Досі фізики не могли повною мірою перевірити теоретичні передбачення про ефекти цих квантових взаємодій.

За словами вчених, за допомогою лазерів раніше вдавалося зблизити атоми тільки на відстань 500 нанометрів. Для порівняння, ширина людської волосини становить 80 000-100 000 нанометрів.

Новий прорив у фізиці

Але тепер фізикам вдалося наблизити атоми на відстань у 10 разів ближче, використовуючи таку квантову властивість атомів диспрозію як спін (власний момент імпульсу). Спін атома має різні напрямки та трохи різний енергетичний стан. Тому вчені використовували два лазерні промені з різною частотою випромінювання та поляризацією світла.

У результаті фізикам вдалося зблизити два шари атомів диспрозію на відстань 50 нанометрів, і в результаті була збільшена сила взаємодії в 1000 разів, порівняно з відстанню в 500 нанометрів.

Неможливий квантовий ефект

Після цього фізики почали вивчати квантові взаємодії в такому масштабі. Вони нагріли один із шарів атомів, який був відділений порожнечею від іншого шару. Несподівано вчені виявили, що відбувається передача тепла через порожнечу від одного шару до іншого.

Автори пояснюють, що для передачі тепла потрібен контакт між шарами або наявність випромінювання, але цього не було, і теплообмін тривав, що здавалося неможливим. Учені вважають, що така неможлива передача тепла є одним із дивних квантових ефектів, але, найімовірніше, є й інші. Фізики мають намір продовжити вивчення квантових взаємодій у такому масштабі.

Особливо фізиків цікавить квантовий ефект під назвою спарювання Бардіна — Купера —Шриффера (БКШ). Це квантовий зв'язаний стан, який відчувають деякі частинки під назвою ферміони, коли їх охолоджують до наднизької температури. Спарювання БКШ між шарами атомів має величезне значення для вивчення надпровідності.

Також Фокус писав про те, що відкриття, яке зробили астрономи під час спостереження за галактиками, змінило фізику та розуміння устрою Всесвіту.

Також фізики з'ясували, що Всесвіт має дивну форму, як уже писав Фокус. Принаймні, згідно з новою теорією, він схожий на відомий кондитерський виріб.