• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy unijni osiągnęli nowy stan w fizyce kwantowej

    08.09.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Naukowcy z Austrii, których prace finansowane są ze środków unijnych, badający fizykę ultrazimnych atomów wygenerowali egzotyczny stan, w którym atomy układają się w szeregu w jednowymiarową strukturę, tworząc stabilną "fazę wielu ciał" z nowymi stanami kwantowo-mechanicznymi. Ich odkrycie, opisane w czasopiśmie Science, otwiera nowy obszar badań w fizyce kwantowej.

    Wyniki stanowią dorobek projektu NAME-QUAM (Nanoprojektowanie atomowej i molekularnej materii kwantowej), sfinansowanego na kwotę 2 mln EUR z tematu "Technologie informacyjne i komunikacyjne" Siódmego Programu Ramowego (7PR). Partnerzy NAME-QUAM badają technologie ultrazimnych atomów i molekularnej materii kwantowej, aby zidentyfikować nowe kierunki i alternatywne podejścia do skalowalnego i miniaturyzowalnego przetwarzania informacji kwantowej.

    Naukowcy specjalizujący się w dziedzinie "fizyki kwantowej wielu ciał" zaobserwowali radykalne wzmocnienie skutków fluktuacji kwantowych, kiedy interakcje między cząstkami są silne, a geometria systemu prosta. Dobrze znane przykłady obejmują zero-wymiarowe kropki kwantowe i jednowymiarowe druty kwantowe. Jednakże osiągnięcie fazy stanu wzbudzonego, który będzie również długożyciowy jest trudne w warunkach doświadczalnych, ponieważ systemy szybko rozpadają się, po części z powodu "sprzęgania" ze środowiskiem.

    W ramach ostatnich badań, zespół pod kierunkiem Hannsa-Christopha Naegerla z Uniwersytetu w Innsbrucku, Austria, dostrzegł potencjał ultrazimnych atomów w generowaniu długożyciowej, silnie oddziałującej wzajemnie, wzbudzonej fazy wielu ciał. Zimne atomy mogą z łatwością odprzęgać się do środowiska - jak dowodzi zespół - a ich interakcje są "przestrajalne".

    "Ultrazimne gazy kwantowe mają ogromny atut - można je całkiem łatwo wyizolować ze środowiska" - mówi dr Naegerl.

    Bozony to cząstki, które mogą zajmować ten sam stan kwantowy; innymi słowy, bozony o tej samej energii mogą zajmować to samo miejsce w przestrzeni. Na bozony zaobserwowane doświadczalnie składają się fotony, które są nośnikami siły pola elektromagnetycznego oraz gluony, które są nośnikami siły będącej źródłem dużej siły jądrowej.

    Naukowcy wytworzyli w komorze próżniowej gaz kwantowy, składający się z bozonowych atomów cezu. Następnie wytworzyli sieć optyczną za pomocą dwóch wiązek laserowych. Sieć umieściła atomy w pionowych, jednowymiarowych "rurkach", w których znajdowało się ustawionych w szeregu do 15 atomów. Wiązki laserowe uniemożliwiały atomom wychodzenie z szeregu lub zmianę miejsca. Naukowcy, osiągnąwszy ten stan, wykorzystali pole magnetyczne w celu dostrojenia interakcji między atomami.

    "Po zwiększeniu energii interakcji między atomami (przyciąganie), atomy zaczynają się gromadzić i struktura szybko się rozpada" - wyjaśnia dr Naegerl. To zjawisko nazywane jest "efektem Bosenova". Kiedy energia interakcji jest zminimalizowana, atomy są w stanie odpychać się zamiast przyciągać, co umożliwia im ustawienie się w równym i regularnym szeregu w pionie, wzdłuż jednowymiarowej struktury. Powstający w ten sposób system jest stabilny.

    Naukowcy zaobserwowali zaskakujący efekt, kiedy interakcje silnie odpychające zamieniono na silne przyciągające. Uzyskali "egzotyczną fazę przypominającą gaz, w której atomy są wzbudzone i skorelowane, ale nie łączą się i nie ma efektu Bosenova" - jak informuje dr Naegerl.

    Zdaniem członka zespołu badawczego, Elmara Hallera z Uniwersytetu w Innsbrucku, fazę tę przewidziano już cztery lata temu. "Udało nam się po raz pierwszy osiągnąć ją doświadczalnie" - stwierdził.

    Procedura i instalacje doświadczalne zostaną wykorzystane w dalszych badaniach nad właściwościami drutów kwantowych, których obserwacja sprawiała jak dotąd ogromne trudności. Dalsze badania nad strukturami niskowymiarowymi mogą również przynieść nowe dane na temat funkcjonowania nadprzewodników wysokotemperaturowych.

    Badania uzyskały dofinansowanie z programu EuroQUASAR (Inicjatywa finansowania wielodyscyplinarnych badań w dziedzinie standardów kwantowych i metrologii) Europejskiej Fundacji Nauki w ramach wspólnego projektu badawczego "Kwantowo zdegenerowane gazy do precyzyjnych pomiarów". Jeden z naukowców uzyskał również międzynarodowe stypendium Marie Curie dla przyjeżdżających naukowców z 7PR.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Uniwersytet w Innsbrucku:
    http://www.uibk.ac.at/

    Science:
    http://www.sciencemag.org/

    Źródło danych: Uniwersytet w Innsbrucku; Science
    Referencje dokumentu: Haller E., et al. (2009) Realisation of an excited, strongly correlated quantum gas phase. Science 325:1224-27. DOI: 10.1126/science.1175850.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Ultrazimne atomy – termin używany do opisania gazu atomów o temperaturach bliskich 0 kelwina (zera bezwzględnego). Za graniczną temperaturę poniżej, której układ nazywamy ultrazimnym przyjmuje się 1 mK, podczas gdy zimnym nazywamy gaz, którego temperatura jest mniejsza niż 1 K. Temperatury otrzymywanych powszechnie w laboratoriach ultrazimnych gazów atomów mieszczą się pomiędzy 1 μK a 1 nK (1 × 10 – 1 × 10 K), przy czym udało się również otrzymać gazy o temperaturach poniżej 500 pK (500 × 10K). W tak niskich temperaturach klasyczny opis gazów zawodzi, ponieważ zjawiska kwantowe zaczynają odgrywać dominującą rolę, a co za tym idzie, do poprawnego opisu badanych układów należy używać mechaniki kwantowej. Kwantowa natura w reżimie ultraniskich temperatur przejawia się m.in. występowaniem kondensacji Bosego-Einsteina w przypadku atomów bozonowych lub zdegenerowanych gazów Fermiego, kiedy atomy są fermionami. Gazy ultrazimnych atomów znalazły też zastosowania w optyce nieliniowej, dokładnych pomiarach kwantowych właściwości pojedynczych atomów, inżynierii stanów kwantowych, precyzyjnej spektroskopii i zegarach atomowych. Spowalnianie Zeemana - metoda spowalniania atomów z wiązki atomowej do niskich temperatur przy użyciu niejednorodnego pola magnetycznego (wykorzystując efekt Zeemana), stosowana często w połączeniu z następczym chłodzeniem laserowym. Stanowi pierwszy krok na drodze do otrzymania gazu ultrazimnych atomów. Metoda po raz pierwszy użyta w 1982 roku przez późniejszego laureata nagrody Nobla Williama D. Phillipsa do spowolnienia wiązki atomów sodu. Degeneracja (zwyrodnienie) - w fizyce kwantowej zwykle mianem degeneracji określa się sytuację, kiedy jednej wartości energii układu odpowiada wiele stanów kwantowych układu. Zmieniając warunki fizyczne, np. umieszczając go w polu magnetycznym, energie różnych stanów kwantowych mogą zmienić się w różnym stopniu, rozdzielając jeden poziom energetyczny na kilka.

    Nadpromienista przemiania fazowa (ang. Superradiant phase transition) – w mechanice kwantowej podobna do nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu przemiana fazowa w układzie składającym sie z materii i kwantowego pola elektromagnetycznego, polegająca na tym, że układ przechodzi do uporządkowanego stanu nadpromienistego w którym w stanie podstawowym w odróżnieniu od normalnej próżni elektromagnetycznej istnieje znaczna gęstość uwięzionych wśród materii fotonów, a atomy pozostają na stałe w stanach silnie wzbudzonych. Oryginalnie została przewidziana w tzw. modelu Dicke w którym zakłada się, że atomy posiadają jedynie dwa poziomy energetyczne i oddziałują one z jednym modem kwantowego pola elektromagnetycznego . Przemiana ta zachodzi, kiedy siła oddziaływania atomów z polem elektromagnetycznym jest większa niż energia części nieoddziałującej układu, co podobnie jak w przypadku nadprzewodnictwa i ferromagnetyzmu prowadzi do efektywnych oddziaływań dynamicznych pomiędzy atomami typu ferromagnetycznego i spontanicznego pojawienia się uporządkowania wzbudzeń poniżej temperatury krytycznej. Znaczy to, że kolektywne przesunięcie Lamba w układzie oddziałujących z fluktuacjami próżni atomów staje się porównywalne z energiami samych atomów, a fluktuacje próżni powodują spontaniczne samowzbudzenie materii. Przemiana ta może być łatwo zrozumiana stosując transformacje Holsteina-Primakoffa do atomów dwupoziomowych. W wyniku tej transformacji atomy stają się oscylatorami harmonicznymi o częstości równej różnicy poziomów, a cały układ układem oddziałujących oscylatorów harmonicznych atomów i pola, czyli dielektrykiem Hopfielda przewidującym w stanie normalnym polarony dla fotonów, czyli polarytony. Jeśli teraz oddziaływanie z polem elektromagnetycznym jest tak silne, że układ zapada się i pojawiają się częstości urojone wtedy układ fizyczny ze stabilizującymi członami wyższych rzędów będzie podlegał podobnej do ferroelektrycznej przemianie fazowej. W modelu tym układ matematycznie równoważny jest dla jednego modu wzbudzeń paczce trojańskiej kiedy to natężenie pola elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo odpowiada stałej sprzęzenia elektromagnetycznego i powyżej jej wartości krytycznej przechodzi do ruchu niestabilnego (jonizacji). Bramki kwantowe – proste elementy wykonujące podstawowe obliczenia przeprowadzane przez algorytmy kwantowe. Bramki kwantowe stanowią podstawowe operacje realizowane przez komputery kwantowe i służą do przetwarzania informacji kwantowej. Bramki kwantowe na schematach obwodów kwantowych oznaczamy za pomocą ramek, a w obliczeniach stosujemy postać macierzy unitarnych.

    Kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni (ang. Quantum Field theory in curved spacetime) – uogólnienie kwantowej teorii pola, które umożliwia opis kwantowych pól materii propagujących się na ustalonej rozmaitości pseudoriemanowskiej, odgrywającej rolę czasoprzestrzeni. Teoria ta uwzględnia wpływ klasycznego pola grawitacyjnego, przejawiającego się, jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, na skwantowane pola związane z pozostałymi oddziaływaniami. Jej najważniejszym przewidywaniem jest produkcja par cząstka-antycząstka w silnym, zależnym od czasu polu grawitacyjnym. Pomimo braku eksperymentalnego potwierdzenia, oczekuje się, że teoria ta dobrze opisuje procesy, w których można pominąć wpływ wyprodukowanych cząstek na pole grawitacyjne, oraz których charakterystyczna skala energii jest znacznie mniejsza od energii Plancka. Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe.

    Główna liczba kwantowa (n) - pierwsza z liczb kwantowych opisujących układ kwantowy określająca energię układu, np. energię elektronów w atomie. Przyjmuje ona wartości liczb naturalnych n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7... Stany kwantowe o tej samej wartości głównej liczby kwantowej tworzą powłokę elektronową, zwaną poziomem energetycznym. Powłoki te oznacza się kolejno K, L, M, N, O, P, Q. Powłoce K odpowiada n = 1, powłoce L odpowiada n = 2... Sieć optyczna jest formowana za pomocą interferujących wiązek laserowych, które tworzą falę stojącą. Powoduje ona powstanie efektywnego okresowego potencjału oddziaływania widzianego przez neutralne atomy na skutek istnienia tzw. zmiennopolowego efektu Starka. Atomy są chłodzone, gaz ma największą gęstość w okolicach minimów potencjału. Potencjał okresowy widziany przez neutralne atomy przypomina sieć krystaliczną metali.

    Term atomowy – w mechanice kwantowej, obserwowany stan atomu, odpowiadający rzeczywistym stanom o różnej energii, charakteryzujący się określonymi wartościami liczb kwantowych.

    Atom egzotyczny – atom, w którym jedna lub więcej cząstek zostały zastąpione innymi cząstkami o tym samym ładunku. Na przykład atomy mionowe i atomy hadronowe to atomy, w których elektron jest zastąpiony inną ujemną cząstką. Do atomów egzotycznych należą również takie, w których jądro zastąpione jest inną cząstką dodatnią, na przykład pozytonium (elektron i pozyton), mionium (elektron i dodatni mion) oraz pionium (pion i mion), a także atomy z hiperjądrem.

    Dodano: 08.09.2009. 15:11  


    Najnowsze