Ερευνητές εκτιμούν ότι δύο τελείως διαφορετικά είδη σωματιδίων, τα μποζόνια και τα φερμιόνια, μπορούν να ενωθούν και να σχηματίσουν σταθερά «κβαντικά σταγονίδια», ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες κάτι που οι επιστήμονες μπορούν να επιβεβαιώσουν με τα μέσα που διαθέτουν σήμερα..
Δύο πολύ διαφορετικά είδη κβαντικών σωματιδίων ενδέχεται να μπορούν να ενωθούν σε μια σταθερή μορφή ύλης, την οποία οι φυσικοί θεωρούσαν κάποτε αμφίβολη. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Monash προβλέπουν ότι υπερψυχρά μποζόνια και φερμιόνια μπορούν, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν αυτόνομα αυτοσυνδεδεμένες «κβαντικά σταγονίδια» (quantum droplets).
Τα μποζόνια και τα φερμιόνια ακολουθούν θεμελιωδώς διαφορετικούς κβαντικούς κανόνες, ωστόσο η νέα θεωρητική εργασία δείχνει ότι τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα μίγματα των δύο μπορούν να παραμείνουν συνδεδεμένα μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα αυτό αμφισβητεί τη μακροχρόνια προσδοκία ότι τα σταθερά σταγονίδια θα ήταν δύσκολο να σχηματιστούν σε συστήματα Bose-Fermi με ισχυρές αλληλεπιδράσεις.
Η πρόβλεψη αυτή δίνει στους πειραματικούς φυσικούς μια νέα κατάσταση της ύλης προς αναζήτηση, ενώ παράλληλα μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση των κβαντικών υλικών που σχετίζονται με τεχνολογίες όπως οι αισθητήρες υπερυψηλής ακρίβειας και η κβαντική υπολογιστική.
Ο επικεφαλής συγγραφέας και υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Monash, Sam Foster, από τη Σχολή Φυσικής και Αστρονομίας, δήλωσε ότι τα ευρήματα καθιστούν δυνατή τη διερεύνηση ανεξερεύνητων μέχρι σήμερα κβαντικών καταστάσεων.
«Τα κβαντικά συστήματα μπορούν να συμπεριφερθούν με τρόπους που φαίνονται αδύνατοι στον καθημερινό μας κόσμο. Δείξαμε ότι αυτοί οι δύο πολύ διαφορετικοί τύποι σωματιδίων μπορούν να ισορροπήσουν απόλυτα μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα σταθερό σταγονίδιο που ουσιαστικά συγκρατείται μόνo του».
Η κβαντική πίεση εμποδίζει την κατάρρευση των σταγονιδίων
Ένα κβαντικό σταγονίδιο συγκρατείται με διαφορετικό τρόπο από μια συνηθισμένη σταγόνα υγρού. Εδώ, η έλξη μεταξύ των σωματιδίων ισορροπείται από την πίεση που δημιουργούν τα φερμιόνια, εμποδίζοντας το σύστημα να καταρρεύσει ακόμα και όταν τα σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους.
Ο Sam ανέφερε ότι το νέο θεωρητικό πλαίσιο αντιμετωπίζει έναν μακροχρόνιο περιορισμό στην περιγραφή αυτών των συστημάτων.
«Οι προηγούμενες θεωρίες μπορούσαν να περιγράψουν αυτά τα συστήματα μόνο όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούσαν σχετικά ασθενώς. Η νέα μας προσέγγιση μας επιτρέπει να εξερευνήσουμε τι συμβαίνει όταν αυτές οι αλληλεπιδράσεις γίνονται πολύ ισχυρότερες, εκεί δηλαδή όπου εμφανίζεται η πιο ενδιαφέρουσα φυσική».
Υπάρχοντα πειράματα θα μπορούσαν να δοκιμάσουν την πρόβλεψη
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτά τα σταγονίδια θα πρέπει να είναι δυνατόν να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας πειράματα υπερψυχρών ατόμων που ήδη υπάρχουν, καθιστώντας την πειραματική επαλήθευση ένα ρεαλιστικό επόμενο βήμα.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ενδείξεις κβαντικής συμπεριφοράς που μοιάζει με τη μετάβαση μεταξύ υγρής και αέριας φάσης. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το σύστημα μπορεί να υποστηρίξει εύρος κβαντικών φάσεων ευρύτερο και πιο σύνθετο από τα σταγονίδια μόνο.
Ο Sam ανέφερε ότι οι επιπτώσεις εκτείνονται πέρα από τη μελέτη των υπερψυχρών ατόμων. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οργανώνεται η ύλη υπό ακραίες κβαντικές συνθήκες μας δίνει νέα εργαλεία για τον σχεδιασμό και τον έλεγχο κβαντικών συστημάτων. Παρόλο που πρόκειται για θεμελιώδη έρευνα, ανακαλύψεις σαν αυτή γίνονται συχνά η βάση για τις κβαντικές τεχνολογίες του αύριο».
