Partikel bilden wirbelnde, tornadoartige Strukturen. (Mukherjee et al, Nature, 2022) Wissenschaftler haben eine atemberaubende Demonstration der klassischen Physik beobachtet, die dem Quantenverhalten Platz macht und eine Flüssigkeit aus ultrakalten Natriumatomen in eine ausgeprägte tornadoartige Formation manipuliert.
Teilchen verhalten sich auf der Quantenebene anders, teilweise weil ihre Wechselwirkungen untereinander zu diesem Zeitpunkt mehr Macht über sie haben als die Energie aus ihrer Bewegung.
Dann gibt es natürlich noch die verblüffende Tatsache, dass es Quantenteilchen gibt nicht unbedingt einen festen Standort haben wie du oder ich, was beeinflusst, wie sie interagieren.
Durch das Abkühlen der Teilchen auf einen möglichst nahen absoluten Nullpunkt und die Eliminierung anderer Störungen können Physiker beobachten, was passiert, wenn diese seltsamen Wechselwirkungen auftreten, wie es gerade ein Team vom MIT getan hat.
„Es ist ein Durchbruch, diese Quanteneffekte direkt sehen zu können“, sagt MIT physicist Martin Zwierlein.
Mithilfe von Lasern und Elektromagneten fing das Team eine Wolke aus etwa einer Million Natriumatomen ein und drehte sie. In früheren Untersuchungen Physiker demonstrierten, dass dies die Wolke zu einer langen, nadelartigen Struktur verdrehen würde, a Bose-Einstein-Kondensat , wo das Gas beginnt, sich wie eine einzelne Einheit mit gemeinsamen Eigenschaften zu verhalten.
„In einer klassischen Flüssigkeit wie Zigarettenrauch würde es immer dünner werden.“ sagt Zwierlein. „Aber in der Quantenwelt erreicht eine Flüssigkeit eine Grenze, wie dünn sie werden kann.“
In der neuen Studie gingen der MIT-Physiker Biswaroop Mukherjee und seine Kollegen über dieses Stadium hinaus und machten eine Reihe von Absorptionsbildern, die zeigen, was passiert, nachdem Atome von der überwiegenden Herrschaft der klassischen zur Quantenphysik übergegangen sind.
Das Bild unten zeigt die Dichten ultrakalter Atome über Mikrosekunden hinweg.
(Mukherjee et al, Nature, 2022)
Die Atomwolke entwickelte sich aus dem nadelförmigen Kondensat (links), durchquerte schlangenförmige Instabilitäten (Mitte) und bildete winzige Tornados (rechts).
Es gibt sogar winzige dunkle Flecken zwischen den benachbarten Kristallen (siehe die „x“-Markierungen unten), an denen Gegenströmungswirbel auftreten – genau wie wir es in komplexen Wettersystemen sehen (denken Sie an die tosenden angrenzenden Stürme). Jupiter ).
(Mukherjee et al, Nature, 2022)
„Hier haben wir Quantenwetter: Die Flüssigkeit fragmentiert allein aufgrund ihrer Quanteninstabilitäten in diese kristalline Struktur aus kleineren Wolken und Wirbeln.“ erklärt Zwierlein.
„Diese Entwicklung hängt mit der Idee zusammen, wie ein Schmetterling in China aufgrund von Instabilitäten, die Turbulenzen auslösen, einen Sturm [in den USA] verursachen kann.“ Selbst in der klassischen Physik führt dies zu einer faszinierenden Musterbildung, etwa wie Wolken, die sich in wunderschönen Spiralbewegungen um die Erde winden. Und jetzt können wir das in der Quantenwelt untersuchen.“
Das Team kontrollierte das System, sodass nichts anderes eine Kraft auf die atomaren Subjekte ausübte. Dies bedeutete, dass nur die Wechselwirkungen der Teilchen selbst und ihre Rotation eine Rolle spielten. Ihr daraus resultierendes Verhalten wurde angezeigt superfest Eigenschaften, ähnlich wie das, was Elektronen in Form erzeugen Wigner-Kristalle .
Während herkömmliche Kristallfeststoffe normalerweise aus Atomen bestehen, die in einer stationären, sich wiederholenden Gitterstruktur angeordnet sind, schwanken diese Strukturen weiterhin, bleiben aber innerhalb eines definierbaren Musters – wie eine Flüssigkeit, die vorgibt, ein Feststoff zu sein, indem sie eine feste Form beibehält und durch diese fließt.
Das Team brachte die Atome im Wesentlichen dazu, sich wie Elektronen in einem Magnetfeld zu verhalten. Durch die Verwendung von Atomen lassen sich die resultierenden Quantenphänomene leichter manipulieren und beobachten – was den Weg für noch mehr Entdeckungen über diese umwerfende Welt ebnet.
„Wir können visualisieren, was einzelne Atome tun, und sehen, ob sie derselben quantenmechanischen Physik unterliegen.“ sagt Zwierlein.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .