Japonští a američtí fyzici ochladili atomy na teplotu, která je asi třimiliardkrát chladnější než mezihvězdný prostor. Věří, že tím otevřeli cestu do úplně nové části kvantové fyziky. Pokus by mohl v budoucnu vést k vytváření nových materiálů s předem definovanými vlastnostmi.
Fyzici vytvořili mráz miliardkrát chladnější než vesmírný prostor. Pokus může vést k výrobě materiálů na míru
„Pokud právě teď neprovádí podobné experimenty nějaká mimozemská civilizace, tak tento experiment na Kjótské univerzitě vytváří nejchladnější fermiony ve vesmíru,“ oznámil Kaden Hazzard z Riceovy univerzity, hlavní autor studie, která vyšla v časopise Nature Physics.
Fermion je označení pro běžné částice, patří mezi ně například elektrony. Společně s bosony jsou fermiony dvěma typy částic, z nichž se skládá veškerá hmota.
Tým z Kjóta vedený Joširem Takahašim použil k ochlazení fermionů lasery. Atomy ytterbia tímto způsobem zmrazil přibližně na jednu miliardtinu stupně absolutní nuly, což je nedosažitelná teplota, při níž se zastaví veškerý pohyb. Tato nově dosažená rekordně nízká teplota je asi třimiliardkrát chladnější než mezihvězdný prostor – ten je totiž stále zahříván zářením uvolněném po Velkém třesku.
- Absolutní nula je hypotetický stav látky, ve které se zastaví veškerý tepelný pohyb částic. Absolutní nula je počátek stupnice absolutní teploty.
- Třetí termodynamický zákon říká, že absolutní nuly nelze nikdy zcela dosáhnout, absolutní nula je tedy jen teoretická teplota. Lze se k ní ovšem přiblížit velice blízko.
„Celá fyzika se při těchto teplotách opravdu změní,“ uvedl Hazzard. „Začíná být více kvantově mechanická a umožňuje nám pozorovat nové jevy, což je pro nás vědce nesmírně užitečné,“ dodal.
Blízko absolutní nuly se vesmír mění
Atomy podléhají zákonům kvantové dynamiky stejně jako elektrony a fotony, ale jejich kvantové chování se projeví, teprve když jsou ochlazeny na zlomek stupně absolutní nuly.
Fyzikové používají laserové chlazení ke studiu kvantových vlastností ultrachladných atomů už víc než čtvrtstoletí – a jak ukazují výsledky kjótského experimentu, stále se v tom zlepšují.
Tento pokus může podle vědců studovat fenomén symetrie, tedy jisté pravidelnosti v atomu nebo částici. Takových symetrií existuje mnoho druhů, v tomto případě fyziky zajímala takzvaná symetrie SU(N).
Spoluautor studie Eduardo Ibarra-García-Padilla uvedl, že experiment má za cíl vysvětlit například to, proč se pevné materiály stávají kovy, izolanty, magnety nebo supravodiči. „Jednou z fascinujících otázek, které mohou naše experimenty prozkoumat, je právě role symetrie,“ podotkl Ibarra-García-Padilla. „Mít možnost konstruovat ji v laboratoři je úžasné. Pokud ji pochopíme, může nás to nasměrovat k výrobě materiálů s novými vlastnostmi, které si vymyslíme.“
Dveře kvantové fyziky dokořán
Vědci se zatím pokoušeli tyto stavy modelovat v počítačích, jde ale o natolik složité situace, že to zatím nedokáží zvládnout ani ty nejsilnější superpočítače. Experimenty v Kjótu ale nabízejí fyzikům příležitost pozorovat tyto složité kvantové systémy přímo v praxi.
„V tuto chvíli je to pouze krátkodobé, ale při dalším ochlazování částic se mohou objevit jemnější a exotičtější fáze hmoty,“ vysvětluje Ibarra-García-Padilla. „Jednou ze zajímavých věcí na některých z těchto exotických fází je, že nejsou uspořádány podle zjevného vzoru, ale nejsou ani náhodné. Existují tam sice korelace, ale když se podíváte na dva atomy, tak je tam neuvidíte – jsou totiž mnohem jemnější. Nemůžete se podívat na dva nebo tři, nebo dokonce sto atomů. Musíte se podívat na celý systém,“ dodal.
Fyzikové zatím nemají k dispozici nástroje, které by chování, které se projevilo při kjótském experimentu, dokázaly změřit. Hazzard ale upozorňuje, že na vytvoření těchto nástrojů se už pracuje a úspěch kjótského týmu tuto snahu rozhodně povzbudí.
„Tyto systémy jsou dost exotické a zvláštní, ale doufáme, že jejich studiem a pochopením můžeme identifikovat klíčové složky, které musí být v reálných materiálech,“ řekl.