Chicago Ülikooli teadlased demonstreerisid esmakordselt eksperimentaalselt, et absoluutse nulli lähedale jahutatud aatomid käituvad kui näiliselt üksteisega mitte seotud olevad väga erineva suurusega looduslikud süsteemid. Antud uurimus võib anda vastuseid nii aatomite maailma kui ka kosmoloogia küsimustele.
Valevärvides pildil on toodud tseesiumi aatomite keskmine tihedus. Pilt on pandud kokku mitmete kvantkriitilisust uurivate eksperimentidel võetud fotodest. Tihedus on väikseim väljapool asuval valgel alal ning kõrgeim keskel, kus rohkem aatomeid blokeerivad pealelangeva infrapunavalguse teekonda. Pilt: Courtesy of Xibo Zhang and Cheng Chin
See ülikülm olek, mida nimetatakse kvantkriitilisuseks (ingl. k. quantum criticality), heidab valgust väga erinevate nähtuste sarnasustele, seehulgas näiteks musta augu gravitatsioonilise dünaamika ning universumi sünni alguse eksootiliste tingimuste ühistele omadustele. Antud uurimuse tulemused võivad isegi viidata viisidele, kuidas simuleerida varase universumi kosmoloogilisi nähtusi tänu kvantkriitilises olekus olevate aatomsüsteemide uurimusile, kirjutab Sciencedaily.com.
,,Kvantkriitilisus on see lähtepunkt, mille abil saame me seostada meie vaatlusi ning looduse teisi nähtusi,” lausus Cheng Chin, üks uurimuse läbiviijaid. Chini uurimisrühm on esimene, mis jälgis optiliste võrestike ülikülmade aatomite kvantkriitilisust. Selline võrestik koosneb tavalistest aatomite struktuuridest, mille moodustavad mitmed laserkiired, mis üksikuid aatomeid lõksustavad ja lokaliseerivad.
Kvantkriitilisus ilmneb ainult kvant-faasiüleminekute läheduses. Sellised haruldased ja eksootilised kvant-faasiüleminekud toimuvad vaid ülikülmadel temperatuuridel magnetvälja, rõhu või teiste ekstreemsete tegurite mõju all.
,,See on väga oluline samm kvantkriitilisuse teooria katsetamisel süsteemis, mida saab hästi iseloomustada ja mõõta,” lausus Harvardi Ülikooli füüsikaprofessor Subir Sachdev antud uurimuse kohta. Füüsikud on kvantkriitilisust kristallides, ülijuhtides ja magnetilistes materjalides juba laialdaselt uurinud. Peamiseks eesmärgiks on olnud vaadelda selle mõju elektronide liikumisele. ,,Neid püüdlusi on takistanud fakt, et me ei saa lihtsalt pilti suurendada ja reaalselt näha, mida iga elektron ning erinevad aine omadused teevad,” selgitas Sachdev.
Sachdevi teoreetilistest uurimustest selgub sügav matemaatiline seos kvantkriitilise punkti läheduses olevate subatomaarsete osakeste käitumise ning mustade aukude gravitatsioonilise dünaamika vahel. Paari aasta pärast võivad seega antud uurimusele järgnevad eksperimendid need ideed ka katseliselt proovile panna.
Kahte faasi üksteisest eraldavaid kriitilisi punkte on kahte sorti. Chicago teadlaste uurimuses tegeletakse neist lihtsaimaga, see on aga keerulisema uurimuseks oluline verstapost. ,,Ma loodan, et keerulisemat hakatakse uurima järgmise paari aasta jooksul, ning teadusmaailm ootab seda pikisilmi,” ütles Sachdev.
Varem on kvantkriitilisust jälgitud täiesti teiste tingimuste korral. 2010. aastal jälgis näiteks üks Chicago Ülikooli teine töörühm ülikõrge rõhu alla seatud kroomitüki kvantkriitilisust.
Antud uurimuses kasutasid teadlased ristatud laserkiirte kimpe, et lõksustada ning jahutada kaheksa tollises silindrilises vaakumkambris kuni 20 000 tseesiumi aatomit horisontaalsele tasandile. Selles protsessis muutuvad aatomid kuumast gaasist ülivoolavaks vedelikuks (ingl. k. superfluid) – aine eksootiliseks vormiks, mis eksisteerib vaid ülikülmadel temperatuuridel.
,,Kogu eksperiment kestab kuus kuni seitse sekundit ning me saame seda uuesti ja uuesti korrata,” lausus üks artikli autoreid Xibo Zhang.
Katsevahendite hulka kuulub ka CCD kaamera, mis on nii tundlik, et suudab jäädvustada kvantkriitilises olekus olevate aatomite jaotust. CCD kaamera salvestab laservalguse intensiivsuse, kui see tuhandeid spetsiaalselt konfigureeritud ülikülmasid aatomeid sisaldavasse vaakumkambrisse siseneb. ,,Põhimõtteliselt salvestame me selle kaameraga aatomite poolt jäetavad varjud,” selgitas Chin.
Esmalt otsisid teadlased kvantkriitilisuse märke temperatuuridel 30 kuni 12 nanokelvinit, kuid veenvaid märke sealt ei leitud. Eelmisel aastal õnnestus neil saavutada temperatuur 5,8 nanokelvinit – kõigest miljardik kraadi üle absoluutse nulli. ,,Selgub, et selle nähtuse tekkimiseks meie süsteemis, peab temperatuur olema alla 10 nanokelvini,” ütles Chin.
Chini töörühm on eriti huvitatud sellest, et kasutada ülikülmasid aatomeid varase universumi arengu simuleerimiseks. See ambitsioon tuleneb 1981. aastal Nobeli laureaadi Richard Feynmani esitatud ideest. Feynman arvas, et kui teadlased mõistavad kvantsüsteeme piisavalt hästi, siis suudavad nad kasutada neid teiste, raskesti otseselt uuritavate kvantsüsteemide toimimise simuleerimiseks.
Teiste jaoks aga on kvantkriitiliste ülikülmade aatomite kui füüsikalise süsteemi uurimine ennastõigustav. ,,Ma tahan mõista seda selle enda kaunite kvantomaduste tõttu, mitte vaadata seda kui millegi muu simulatsiooni,” lausus Sachdev.
Teadusartikkel: “Observation of Quantum Criticality with Ultracold Atoms in Optical Lattices“
Leave a Reply