Ένα από τα πιο δύσκολα πράγματα στην εξερεύνηση του κβαντικού κόσμου είναι ότι πολλά από τα φαινόμενα σε αυτόν τον «αόρατο» χώρο συμβαίνουν σε απίστευτα μικρές κλίμακες.
Για παράδειγμα, υπάρχει το φαινόμενο που είναι γνωστό ως κβαντικό φαινόμενο Hall. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1980 από τον Γερμανό φυσικό Klaus von Klitzing και περιγράφει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων (υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν) καθώς διέρχονται μέσα από δισδιάστατα υλικά, όπως το γραφένιο. Συνήθως, θα περιμένατε τα ηλεκτρόνια να αντιμετωπίζουν αντίσταση και να διαχέονται, αλλά υπό αυτές τις συνθήκες σχηματίζουν ενεργειακές καταστάσεις χωρίς απώλειες, που είναι «κλειδωμένη» κατά μήκος των ορίων του υλικού.
Πώς συμπεριφέρθηκαν τα ηλεκτρόνια
Αυτή η κβαντοποίηση της ηλεκτρικής αντίστασης, γνωστή ως «κατάσταση άκρου» (edge state), είναι ιδιαίτερα χρήσιμη αν θέλεις να δημιουργήσεις εξωτικά υλικά χωρίς ηλεκτρική αντίσταση. Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα. «Αυτές οι καταστάσεις συμβαίνουν σε φεμτοδευτερόλεπτα και σε κλίμακες μικρότερες του νανόμετρου, κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθεί», δήλωσε ο Richard Fletcher, αναπληρωτής καθηγητής στο MIT. Ένα φεμτοδευτερόλεπτο ισούται με ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. «Το ωραίο είναι να βλέπεις με τα μάτια σου φυσική που είναι απίστευτη, αλλά συνήθως κρυμμένη μέσα στα υλικά και αδύνατο να παρατηρηθεί άμεσα».
Για να μελετήσουν πρακτικά αυτή την κβαντική αλληλεπίδραση σε πιο «λογική» κλίμακα, ο Fletcher -μαζί με τους συναδέλφους του από το MIT Research Laboratory of Electronics και το MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms- επέλεξαν μια καινοτόμο μέθοδο: να μεγεθύνουν ουσιαστικά το φαινόμενο χρησιμοποιώντας ένα σύννεφο από υπερψυχρά άτομα νατρίου αντί για ηλεκτρόνια.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό επέτρεψε στην ομάδα να παρατηρήσει τη δημιουργία αυτών των καταστάσεων άκρου «σε χιλιοστά του δευτερολέπτου και σε μικρόμετρα», που είναι πολύ πιο διαχειρίσιμα ως πειραματικές παραμέτροι. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Physics.
Για να δημιουργηθεί αυτή η κβαντική αλληλεπίδραση σε μεγαλύτερη κλίμακα χρειάστηκε μεγάλη πειραματική ευρηματικότητα. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα εκατομμύριο υπερψυχρά άτομα νατρίου και τα παγίδεψε ουσιαστικά σε ένα σύνθετο σύστημα λέιζερ. Ωστόσο, για να προσομοιώσουν την εμπειρία της ζωής σε επίπεδο χώρο, οι ερευνητές τα έβαλαν επίσης να περιστρέφονται σαν «αναβάτες σε ένα σε ένα περιστρεφόμενο παιχνίδι λούνα παρκ».
«Η παγίδα προσπαθεί να τραβήξει τα άτομα προς τα μέσα, αλλά υπάρχει η φυγόκεντρος δύναμη που προσπαθεί να τα εξωθήσει προς τα έξω», εξήγησε ο Fletcher. «Οι δύο δυνάμεις ισορροπούν η μία την άλλη, οπότε αν είσαι ένα άτομο, νομίζεις ότι ζεις σε έναν επίπεδο χώρο, ακόμα κι αν ο κόσμος σου περιστρέφεται. Υπάρχει και μια τρίτη δύναμη, το φαινόμενο Coriolis, έτσι ώστε αν προσπαθήσουν να κινηθούν ευθεία, αποκλίνουν. Έτσι, αυτά τα τεράστια άτομα πλέον συμπεριφέρονται σαν να ήταν ηλεκτρόνια που ζουν σε μαγνητικό πεδίο».
Η δοκιμή με το λέιζερ
Οι επιστήμονες στη συνέχεια όρισαν το «άκρο» αυτού του αέριου υλικού εισάγοντας ένα λέιζερ, που δημιούργησε ένα είδος τείχους γύρω από τα άτομα. Μόλις τα άτομα συναντούσαν αυτό το φως, κινούνταν μόνο προς μία κατεύθυνση, παρόμοια με τη ροή των ηλεκτρονίων σε εξαιρετικά μικρές κβαντικές κλίμακες.
«Μπορείτε να φανταστείτε ότι είναι σαν σβώλους που γυρίζετε πολύ γρήγορα μέσα σε ένα μπολ και συνεχίζουν να κινούνται γύρω γύρω στο χείλος του μπολ», δήλωσε ο Martin Zwierlein, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Δεν υπάρχει τριβή. Δεν υπάρχει επιβράδυνση και δεν διαφεύγουν άτομα ή σκορπίζονται στο υπόλοιπο σύστημα. Υπάρχει μόνο μια όμορφη, συνεκτική ροή».
Για να δοκιμάσουν την αντίσταση αυτών των ατόμων, η ομάδα τοποθέτησε εμπόδια – όπως ένα σημείο φωτός- στη διαδρομή τους, και τα άτομα πέρασαν χωρίς καμία μετρήσιμη αντίσταση.
Τώρα που οι επιστήμονες έχουν ένα αξιόπιστο «αντίγραφο» αυτής της κβαντικής διαδικασίας, τα μελλοντικά πειράματα μπορούν να σπρώξουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις στα «άκρα» και να αρχίσουν να εξερευνούν άγνωστες περιοχές αυτού του συναρπαστικού τομέα της κβαντικής φυσικής.
