Prístroj, ktorý „frustruje“ elektróny, naviedol vedcov k jedinečnému objavu: Pozorovali nové skupenstvo kvantovej hmoty
Autori novej štúdie popisujú kvantové skupenstvo s mimoriadne pozoruhodnými vlastnosťami.
Za každodenných prirodzených podmienok sa môže hmota nachádzať v troch skupenstvách, ako je kvapalina, pevná látka alebo plyn. Mimo prirodzených podmienok je však správanie hmoty o niečo komplikovanejšie.
Pri teplotách blížiacich sa absolútnej nule (pozn. redakcie: -273,5 °C, alebo 0 Kelvina) a v škálach menších ako zlomok atómu, sa svet správa oveľa zvláštnejšie. Práve v tejto škále sa stretávame s kvantovými skupenstvami, ktoré sa nepodobajú na nič, s čím sa môžeme v bežnom živote stretnúť. Výskumníci tieto kvantové skupenstvá skúmajú a výnimkou nie sú ani autori novej štúdie, ktorí sa pozreli lepšie na to, ako sa správa silne interagujúca kvantová hmota. Za štúdiou stoja vedci z University of Massachusetts, Amherst.
Za bežných okolností častice v každej sústave do seba narážajú, čím vytvárajú predpovedateľné javy. Autori štúdie to prirovnávajú k biliardovým guliam, ktoré sa odrazia od seba spôsobom, ktorí vieme predvídať. Výnimkou je takzvaný „frustrovaný kvantový systém“, ktorého interakcie medzi časticiami vedú k nekonečnému množstvu možností. Ak by sa vedci mali držať biliardového prirovnania, v prípade frustrovanej kvantovej sústavy by sa guľa po zasiahnutí mohla začať vznášať, alebo by sa odrazila v nemožnom uhle. Autori štúdie zároveň vysvetľujú, že niektoré z nekonečných možností môžu viesť k novým kvantovým skupenstvám.
Autorom novej štúdie sa podarilo vytvoriť „frustračnú mašinu“. Ide o zariadenie z dvoch vrstiev. Vrchná vrstva sa skladá z množstva elektrónov, ktoré sa môžu pohybovať voľne. Spodná vrstva sa skladá z miest, ktoré môžu elektróny obývať. Tieto dve vrstvy vedci prisunú k sebe na vzdialenosť menšiu ako atómy. Ak by sa počet elektrónov a voľných miest rovnal, potom by častice fungovali spôsobom, ktorý vieme predvídať. Vedci však vytvorili nerovnováhu medzi počtom elektrónov a voľných miest.
„Je to podobné ako keď hráte stoličkový tanec, pričom jedno miesto vždy chýba. Toto zariadenie je navrhnuté na to, aby frustrovalo elektróny. Namiesto toho, aby mal každý svoje miesto sa teraz musia usporiadať a majú veľa možností ako sa usadiť,“ tvrdí vedúci výskumu Tigran Sedrakyan.
Prekvapivé vlastnosti kvantového systému
Frustrácia vytvorená zariadením vedie ku vzniku nového chirálneho kvantového skupenstva, ktoré má prekvapivé vlastnosti. Ak kvantovú hmotu v tomto skupenstve schladíte blízko k absolútnej nule, elektróny „zamŕzajú“ v predvídateľnom vzorci. Zároveň sa častice točia buď v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek, pričom tento spin nemožno zmeniť. Ako vysvetľujú výskumníci, ide o prekvapivo robustný systém, ktorý môžu využiť na kódovanie digitálnych dát spôsobom tolerujúcim chyby.
Neprehliadnite
Chiralita je dôležitý pojem vo fyzike, chémii a biológii. Predstavuje geometrickú vlastnosť akéhokoľvek objektu, ktorý nemá žiadnu rovinu symetrie. Znamená to, že tento objekt nemôže byť presne preložený cez svoj zrkadlový obraz. Príkladom z praxe je ľudská dlaň. Pravá a ľavá dlaň sú navzájom zrkadlovými obrazmi. Ak by sme ich chceli preložiť cez seba, zistíme že prsty nám nesedia.
Vedcov však prekvapila reakcia častíc v tomto chirálnom skupenstve, keď do jednej z nich vrazila iná častica. Predstavte si, že pri biliarde zasiahnete bielou jednu guľu, no všetky na stole by reagovali rovnakým spôsobom. Tento bizarný jav vzniká vďaka previazaniu tohto kvantového systému.
Pozorovať častice v tomto chirálnom skupenstve je mimoriadne zložité, preto ho vedci neobjavili skôr. Autorom novej štúdie sa to podarilo vďaka spolupráci s teoretickými fyzikmi a navrhnutím experimentu, v ktorom použili extrémne silné magnetické pole. Vďaka tomu mohli sledovať a merať pohyb elektrónov v tejto sústave.
Komentáre