Все, происходящее на просторах Вселенной, подчиняется двум несовместимым на первый взгляд наборам законов физики — существует классическая физика, действующая в масштабе окружающего нас мира, и существует жуткая квантовая механика, проявляющаяся на уровне атомов и субатомных частиц. И недавно, ученым из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) удалось создать своего рода «квантовые торнадо», структуры, постоянно совершающие переходы из мира классической физики в мир кантовой механики и наоборот.
Развитие облака атомов от классической «игольчатой» структуры (слева)
к серии «квантовых торнадо» (справа)
© Massachusetts Institute of Technology, MIT
Как, наверное, хорошо известно нашим постоянным читателям, в мире квантовой механики становятся возможными такие вещи и события, которые ломают все наше представление, сформированное повседневными наблюдениями за окружающим миром. К примеру, квантовые частицы могут существовать сразу в нескольких местах, туннелироваться через непреодолимые барьеры и моментально обмениваться информацией, невзирая на огромные расстояния.
Эти и другие «чудеса» квантового мира возникают вследствие различных типов взаимодействий между частицами, что является предметом многих научных исследований. Однако, при попытках исследований таких хрупких квантовых взаимодействий в это начинают вмешиваться проявления мира классической физики. А одним из способов избежать такого вмешательства и усиления квантовых эффектов является охлаждение частиц и атомов до температур, очень и очень близких к точке абсолютного нуля. При этом возникает экзотическое состояние вещества, именуемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, демонстрирующее квантовое поведение на большем масштабе, доступном для нашего восприятия.
Однако в своих экспериментах физики MIT отошли от традиционного пути, и вместо традиционного конденсата Бозе-Эйнштейна использовали так называемую квантовую жидкость Холла. Этот еще более странный тип материи в оригинале состоит из облаков свободных электронов, пойманных в ловушки магнитных полей, эти облака начинают взаимодействовать друг с другом весьма необычными способами, что приводит к появлению совсем уж «диких» квантовых эффектов. Однако, вместо электронов, которые с большим трудом поддаются контролю и наблюдению, физики MIT использовали облако из миллиона атомов натрия, охлажденных до сверхнизкой температуры.
«Мы заставили эти холодные атомы натрия вести себя подобно электронам в магнитном поле» — пишут исследователи, — «При этом мы получили достаточно высокий уровень контроля над происходящим и смоги визуализировать поведение даже отдельных атомов, что дало нам возможность увидеть, повинуются ли они законам квантовой механики».
Облако холодных атомов было помещено в электромагнитную ловушку и раскручено до скорости 100 оборотов в секунду. Под воздействием вращения облако растянулось по высоте, становясь мо мере увеличения высоты все тоньше и тоньше. И на каком-то этапе этого процесса атомы натрия «переключились» на квантовое поведение.
После такого переключения «игла» атомов начала изгибаться и перевиваться, что привело к ее распадению на отдельные сегменты. Эти вращающиеся сегменты сформировали странную структуру, напоминающую структуру кристалла, которая и была описана учеными термином «квантовое торнадо». Поведение этого «торнадо» определяется исключительно взаимодействиями между атомами, а само «торнадо» постоянно находится в колебательном режиме, подчиняясь то законам классической физики, то квантовой механики.
«Этот эксперимент является своего рода демонстрацией идеи, как взмах крыльев бабочки в Китае, к примеру, может стать зародышем, который разовьется в разрушительный ураган на другой стороне земного шара» — пишут исследователи, — «В нашем эксперименте также имеется «квантовая погода», жидкость Холла, из-за ее квантовой нестабильности в ней возникает и развивается «шторм», состоящий из меньших облаков и завихрений. И мы очень рады, что стали первыми людьми, увидевшими воочию такие квантовые эффекты».
Статья опубликована в журнале Nature
Источник: dailytechinfo.org
