Wyobraź sobie, że widzisz pojedynczy atom — nie jako uproszczoną kulkę z podręcznika, lecz jako realny obiekt, który właśnie fruwa sobie w wolnej przestrzeni i reaguje na inne obiekty w jego skali. Zespół fizyków z MIT uchwycił taki obraz po raz pierwszy w historii. Nie jest to kolejny schemat czy model, lecz rzeczywista fotografia korelacji między cząstkami, które dotąd pozostawały w sferze teoretycznej. Cudo!
Metoda badaczy była precyzyjnie zaprojektowana. Najpierw pozwolili chmurze atomów swobodnie dryfować i oddziaływać, zamkniętej w luźnej pułapce optycznej stworzonej przez wiązkę lasera. Gdy w mikroskopijnej sferze zaszły już kwantowe interakcje, uruchamiali optyczną kratę — regularny układ światła, który zatrzymywał każdy atom w miejscu. Następnie, przy pomocy skalibrowanego lasera, rejestrowali ich położenia, zbierając fluorescencję w sposób, który nie zaburzał stanu próbki. W fizyce ultrachłodnych atomów taka równowaga to ogromne wyzwanie.
Pierwszym obiektem obserwacji były bozony. W tym stanie wszystkie cząstki dzielą jeden stan kwantowy, przez co mogą "gromadzić się" w tym samym punkcie przestrzeni. Zdjęcia pokazały wyraźne skupiska — dowód na wspólną falę de Broglie’a, przewidywaną od lat 20. XX wieku.
Kolejnym krokiem były dwa typy fermionów. Fermiony nie lubią własnego towarzystwa, ale w sprzyjających warunkach potrafią łączyć się w pary z innym rodzajem fermionu. Kamera uchwyciła moment tworzenia się takich par, kluczowych dla zjawiska nadprzewodnictwa. Różnica w stosunku do wcześniejszych badań była znaczna: to już nie był model matematyczny, lecz uchwycona w kadrze rzeczywistość: tyle że w skali subatomowej.
W tym samym wydaniu Physical Review Letters pojawiły się dwa inne artykuły dotyczące tego zagadnienia. Zespół Wolfganga Ketterlego z MIT zobrazował korelacje bozonów, a badacze z École Normale Supérieure w Paryżu, pod kierunkiem Tarika Yefsaha, sfotografowali chmurę nieoddziałujących fermionów. Różne narzędzia, odmienne konfiguracje eksperymentu, ale ten sam cel: przenieść fizykę kwantową z równań i wykresów w świat uchwytny dla ludzkiego oka.
Zwierlein i jego zespół zamierzają teraz sprawdzić zjawiska trudne do opisania pełnymi równaniami: m.in. stany kwantowego efektu Halla, gdzie elektrony w polu magnetycznym tworzą nietypowe, skorelowane układy. W takich obszarach teorii pojawia się więcej szkiców niż wzorów — i właśnie tam może się okazać, czy te owe "rysunki" są realnym odbiciem rzeczywistości.
Czytaj również: Tak CERN będzie badać rozpad bozonu Higgsa. Tu nie będzie kompromisów
Tam, gdzie zasady ustala mechanika kwantowa, owe obrazy są czymś więcej niż potwierdzeniem eksperymentu. To pierwsza uchwycona migawka kwantowego tłumu — w jednej, nieruchomej klatce, która pokazuje to, co dotąd było tylko domysłem badaczy. Trzeba przyznać, że dokonaliśmy czegoś niesamowitego.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
