Obserwowanie przemiany gazu w ciało nadstałe Gdy materia zostanie schłodzona do temperatury bliskiej zera bezwzględnego, można zaobserwować intrygujące zjawiska. Badaczom korzystającym z dofinansowania UE, udało się jako pierwszym na świecie stworzyć z ekstremalnie schłodzonych atomów ciecz o właściwościach kwantowych, która jest 100 milionów razy mniej gęsta od zwykłych cieczy. Badania podstawowe © Graphiteska, Shutterstock Pracując na schłodzonym nadciekłym gazie, tzw. kondensacie Bosego-Einsteina, badacze z finansowanego przez UE projektu DipInQuantum (Dipolar quantum gases of Dysprosium) pomyślnie uzyskali kwantowy stan materii, w którym kondensat ma strukturę zbliżoną do kryształu i zachowuje płynność typową dla cieczy, ale bez żadnego tarcia wewnętrznego. Samoograniczone krople Ultrazimne atomy zwykle mają postać gazu, ale zaskakujące wyniki najnowszych badań pokazały, że w szczególnych warunkach atomy kondensatu mogą formować samoograniczone krople cieczy. „Interakcje między magnetycznymi dipolami atomów lantanu w ultrazimnym gazie mogą spowodować powstanie samoograniczonej kropli cieczy. Pozwala to uzyskać odizolowany układ przydatny do badania kwantowo-mechanicznych właściwości ultrazimnych gazów”, zauważa dr Tilman Pfau kierujący projektem DipInQuantum. U podstaw tej nowej fazy materii leży współistnienie sił odpychających i przyciągających, które idealnie się równoważą, tworząc układ samoograniczony. Kluczową cechą układów wielu ciał jest samoorganizacja, czyli spontaniczne porządkowanie układu w wyniku interakcji między cząsteczkami. „W naszym przypadku stabilność tych samoograniczonych kropel zależy od precyzyjnej równowagi trzech oddziaływań. Siły kontaktowe i fluktuacje kwantowe stanowią w tych oddziaływaniach składową odpychającą, natomiast składowa przyciągająca to siły dipolowe”, wyjaśnia dr Pfau. Ostatnie badania sugerują, że samoograniczone zespoły ultrazimnych atomów mogą istnieć nawet przy gęstościach atomów 100 milionów razy mniejszych niż w kropli helu uformowanej z gęstej cieczy kwantowej. Dotychczas nie udawało się jednak doświadczalnie potwierdzić istnienia takich zespołów, ponieważ wymagają one innych sił niż typowe interakcje kontaktowe z zerowej odległości, które mogą działać przyciągająco lub odpychająco, ale nie na oba te sposoby. Krople te stanowią rozcieńczony odpowiednik silnie skorelowanych układów samoograniczonych, takich jak jądra atomowe i krople helu. Gaz kwantowy, ciecz i kryształ w jednym Członkowie zespołu projektowego schłodzili gaz z atomów dysprozu do temperatury bardzo bliskiej zera bezwzględnego. Ponieważ dysproz jest pierwiastkiem o najwyższej podatności magnetycznej, każdy taki atom można traktować jako miniaturowy magnes. W ramach eksperymentu badacze wytworzyli nadciekły gaz zawierający 3000 atomów dysprozu i poddali go lewitacji w silnym polu magnetycznym. Zaobserwowano regularne wzory złożone z mikroskopijnych kropel. Podczas lewitacji magnetycznej krople początkowo traciły atomy, a po osiągnięciu pewnej krytycznej liczby atomów parowały, zamieniając się w gaz. „Odkryliśmy nowy stan skupienia materii wykazujący z pozoru sprzeczne cechy gazu, kryształu i gazu nadciekłego”, podkreśla dr Pfau. Według przypuszczeń badaczy kluczowe znaczenie dla istnienia uzyskanych kropli mają fluktuacje kwantowe. Ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga atomy składające się na kroplę nie mogą pozostawać całkowicie bez ruchu w jej wnętrzu, więc bezustannie się poruszają. Obecność takich atomów w ograniczonej przestrzeni generuje ciśnienie kwantowe. Kropla staje się przez to niestabilna, a atomy parują, tworząc rozszerzający się gaz. „Połączenie gazu kwantowego, cieczy i kryształu w jednym stanie skupienia materii może stanowić pierwszy krok na drodze do uzyskania ciał nadstałych, czyli materiałów nadciekłych zachowujących uporządkowanie przestrzenne”, dodaje dr Pfau. Ze względu na duży moment dipolowy atomów dysprozu, ich wykorzystanie od początku dawało nadzieję na przełomowe eksperymenty w fizyce kwantowej. Wyjątkowa podatność magnetyczna tego pierwiastka wydatnie wspomaga proces badania kropli cieczy kwantowych. Dotychczas ciała nadstałe, czyli ciała stałe wykazujące nadciekłość, pozostawały tylko teoretycznie przewidywanym stanem skupienia materii. Pomyślne zastosowanie w projekcie DipInQuantum sprawdzonej metody wykorzystującej kondensat Bosego-Einsteina otwiera drogę do dalszych badań nad tym przedziwnym stanem skupienia. Słowa kluczowe DipInQuantum, kropla, gaz, samoograniczone, nadciekłość, ciało nadstałe, gaz kwantowy, ciecz kwantowa, atomy ultrazimne, kondensat Bosego-Einsteina
