Mokslininkai peržengė naują ribą: pirmą kartą supainiota masę turinčių atomų dinamika
Fizikai pirmą kartą pademonstravo kvantinį supainiojimą ne tik dalelių vidinėse būsenose, bet ir jų judėjime. Tai reiškia, kad pavyko supainioti masę turinčių atomų impulsą, o toks rezultatas laikomas svarbiu žingsniu, jungiant kvantinę mechaniką su gravitacija.
Tyrimas, paskelbtas žurnale „Nature Communications“, atliktas Australijos nacionaliniame universitete. Mokslininkai pabrėžia, kad iki šiol supainiojimas buvo įprastai demonstruojamas fotonuose arba atomų spino būsenose, tačiau judėjimo supainiojimą suvaldyti daug sudėtingiau.
Kodėl svarbi būtent masė?
Fotonai yra be masės ramybės būsenoje, todėl jų supainiojimo eksperimentai tiesiogiai neleidžia tikrinti, kaip kvantiniai dėsniai veikia objektus, kuriuos „jaučia“ gravitacija. Tuo tarpu atomai turi masę, todėl jų judėjimo supainiojimas atveria kelią tiksliau tikrinti hipotezes apie gravitacijos ir kvantinės fizikos sąsajas.
Kvantinės gravitacijos teorija, kuri sujungtų bendrąjį reliatyvumą ir kvantinę mechaniką, tebėra viena svarbiausių neišspręstų šiuolaikinės fizikos problemų. Kuo didesnius ir masyvesnius objektus pavyksta įtraukti į kvantinius reiškinius, tuo griežtesni tampa galimi testai teorijoms, aiškinančioms, kur baigiasi kvantinis pasaulis ir prasideda klasikinis.
Kaip supainiojami judantys atomai?
Eksperimente helio atomai buvo atšaldyti iki temperatūrų, labai artimų absoliučiam nuliui, kad susidarytų Bose ir Einšteino kondensatas. Tokiomis sąlygomis daugybė dalelių ima elgtis tarsi viena bendra kvantinė sistema, o tai leidžia itin tiksliai valdyti jų būsenas.
Tada lazerių impulsais kondensatas buvo padalytas į kelias atomų grupes, o jų sąveikos metu atsirado poromis skriejančios dalelės. Esminis tikslas buvo pasiekti režimą, kai vieno matavimo ciklo metu išsisklaido tik viena atomų pora, nes tuomet lengviau identifikuoti gryną kvantinį supainiojimą, o ne atsitiktines klasikines koreliacijas.
„Atomai išsisklaido, o vėliau yra suvedami atgal taip, kad galėtų interferuoti. Toks vaizdas atsiranda tik tada, kai atomas iš tiesų yra superpozicijoje“, – sakė tyrėjų komandai vadovavęs profesorius Seanas Hodgmanas.
Ne tik teorija: kelias į naujus jutiklius
Supainiotas atomų judėjimas gali tapti naujos kartos kvantinių jutiklių pagrindu. Tokie prietaisai teoriškai galėtų matuoti itin menkus gravitacinio lauko pokyčius, padėti tiksliau kartografuoti požemines struktūras arba pagerinti interferometrijos metodus, kurie svarbūs ir kuriant itin tikslius matavimo įrenginius.
Komanda taip pat svarsto kitą žingsnį, kuris būtų dar ambicingesnis: atlikti susidūrimus tarp skirtingų helio izotopų. Jei pavyktų sukurti poras, kurių koreliacijos vienu metu apimtų ir impulsą, ir su mase susijusius parametrus, tai taptų ypač griežtu išbandymu teorijoms, siekiančioms aprašyti kvantinius reiškinius gravitacijos lauke.
Šis rezultatas pats savaime dar nepaaiškina gravitacijos prigimties, tačiau jis suteikia naują, anksčiau nepasiekiamą eksperimentinį įrankį. Fizikoje būtent tokie įrankiai dažnai ir lemia proveržius, kai senos idėjos pagaliau patikrinamos realiais, pakartojamais matavimais.
