Płyn kwantowy zamarza po podgrzaniu

Fizycy pokazali niedawno w „Nature Communications”, jak ogrzewanie płynu kwantowego – w tym przypadku bardzo zimnego gazu atomów magnetycznych – może w istocie „zamrozić” go do bardziej uporządkowanej formy zwanej stanem superstałym. To zaskakujące zachowanie zaobserwowano po raz pierwszy w 2021 roku, lecz naukowcy nie potrafili go wyjaśnić aż do chwili obecnej.

„W artykule udało się wprowadzić nowy opis teoretyczny, który teraz z powodzeniem wyjaśnia obserwacje eksperymentalne, jakich wcześniej nie rozumiano” – mówi fizyk Tim Langen z Universität Stuttgart, który nie był zaangażowany w nowe badania.

Cząstki kwantowe, które mają naturę zarówno korpuskularną, jak i falową, można sobie wyobrażać jako chmury prawdopodobieństwa. Szanse na znalezienie cząstki w dowolnym punkcie chmury w danym momencie są powiązane z zachowaniem falowym cząstki, które opisuje formuła zwana funkcją falową. W płynie kwantowym cząstki oddziałują ze sobą tak ściśle, że tworzą jak gdyby jedną całość, której kolektywne zachowanie wyznacza pojedyncza funkcja falowa. Zazwyczaj są to zarazem „nadciecze” – których przepływ odbywa się bez tarcia.

Ciała superstałe wykazują podobne właściwości, lecz ponadto mają strukturę regularnych szczytów, mówi współautorka badania Francesca Ferlaino, fizyczka eksperymentalna z Universität Innsbruck i Institut für Quantenoptik und Quanteninformation w Austrii. W 2021 roku Ferlaino i jej zespół odkryli, że podgrzanie ultrazimnego płynu kwantowego magnetycznych atomów dysprozu, pierwiastka ziem rzadkich, zestaliło go w charakterystyczne szczyty ciała superstałego. Jednakże otrzymawszy tak nieoczekiwany wynik, „musieliśmy przekonać się, że jest to coś, co teoretycznie ma sens”, mówi współautor pracy Thomas Pohl z duńskiego Aarhus Universitet.

Zespół badawczy pokazuje teraz, że to sprzeczne z intuicją zachowanie wynika z niezwykłej synergii między energią cieplną a naturalną tendencją atomów magnetycznych do skupiania się.

Na poziomie atomów temperatura jest energią kinetyczną losowych ruchów cząsteczek. Ogrzewanie ciała jest zatem niczym potrząsanie nim, wprowadzaniem przypadkowych fluktuacji termicznych, które w tym przypadku wybijają atomy z jednolitego stanu płynu kwantowego. Ponieważ mają one moment magnetyczny, te wyrzucone cząstki silnie oddziałują z płynem kwantowym i wzmacniają naturalną skłonność atomów dysprozu do spiętrzania. Ich wpływ zmienia funkcję falową całego płynu kwantowego i powoduje jego przejście do stanu superstałego z regularnie rozmieszczonymi szczytami.

„Jest to nader dziwne i sprzeczne z intuicją – właśnie coś takiego lubię odkrywać jako fizyk – mówi współautor pracy Juan Sánchez-Baena z Universitat Politècnica de Catalunya i Aarhus Universitet. – Jeśli znajduje się wyłącznie rzeczy, których się oczekuje, staje się to nudne”.

To jest pierwsza wzmianka na ten temat. Jeśli z niej korzystasz, powołaj się na źródło, czyli na www.projektpulsar.pl. Dziękujemy.