Chłód czyni cuda.
Jeśli ochłodzisz substancję prawie do zera absolutnego, zwykłe prawa fizyki przestaną działać. Elektrony zaczynają poruszać się bez oporu, atomy potrafią wspinać się po ścianach niczym pająki. Wszystko staje się niejasne i nie podlega logice Newtona, ale statystyce kwantowej.
Ten mikroskopijny świat dzieli się na dwa obozy: bozony i fermiony.
Bozony, takie jak fotony, są prawdziwymi zwierzętami towarzyskimi. Są w stanie skupiać się razem, zajmując tę samą przestrzeń i zachowując się jak pojedyncza spójna fala. Fermiony? Z nimi to tak nie zadziała. Zasada wykluczenia Pauliego uniemożliwia im przebywanie w tym samym stanie kwantowym. Każdy elektron musi pozostać na swoim własnym „ścieżce”. To właśnie ta zasada chroni gwiazdy neutronowe przed zapadnięciem się w czarne dziury – dość znaczna odpowiedzialność za tak małe ograniczenie.
A co jeśli spróbujesz złamać te zasady?
Fizycy chcieli zrozumieć, co by się stało, gdyby atomy zostały zmuszone do szybkiego przełączania się między trybami wzajemnego odpychania i przyciągania.
„Co się stanie, jeśli zmusisz oddziałujące atomy do ciągłego poruszania się w ekstremalnych warunkach?”
Do eksperymentu Alvise Bastanello i jego zespół pobrali około 70 000 atomów cezu. Schłodzono je do nanokelwinów. Zrobiło się tak zimno, że atomy przestały zachowywać się jak pojedyncze cząstki i zaczęły zachowywać się jak pojedyncza, rozmyta całość – gaz Bosego.
Gaz ten umieszczano w pułapkach laserowych, ograniczając jego ruch tylko do jednego wymiaru. I wtedy nadszedł kluczowy moment.
Na system zaczęto oddziaływać impulsywnie: odpychanie, przyciąganie, odpychanie, przyciąganie. Wciąż.
Co zaskakujące, w rezultacie nie doszło do chaosu.
Zwykle taki napływ energii podgrzewa układ, powodując chaotyczne rozpraszanie cząstek. Ale tutaj wydarzyło się coś innego: atomy samoorganizowały się i przeszły w nieoczekiwany stan – ułamkowe morze Fermiego.
Pomyśl o tym. Fermiony nie mogą nakładać się na siebie; pozostają oddzieleni. Wręcz przeciwnie, bozony mogą „nakładać się na siebie”. Ten nowy stan jest czymś pomiędzy. Stany kwantowe są wypełnione tylko częściowo, tworząc rodzaj wadliwej hybrydy, która prawdopodobnie może istnieć tylko w takich wielowymiarowych pułapkach.
Yi Zeng, który kierował badaniami w Innsbrucku, nazywa to nowym stanem wielokwantowym.
„Zamiast po prostu podgrzewać system” – wyjaśnia Zeng – „cykl interakcji powoduje jego reorganizację”.
Hanns-Christoph Nagerl zauważa, że porządek jest ukryty, ale istnieje. Można to zobaczyć w falach danych: Zaobserwowano oscylacje Friedela – niezbity dowód, że nie jest to tylko przypadkowy szum. Taka jest struktura. Kruchy, złożony porządek zrodzony z powtarzających się zakłóceń stabilności.
Naukowcy nie wiedzą jeszcze nawet, jak nazwać kwazicząstki biorące udział w tym procesie. „Superfermiony?” Nagerl żartuje.
Może.
Dlaczego to wszystko jest potrzebne?
Ponieważ łamie dotychczasowe paradygmaty. Większość symulacji odtwarza jedynie zjawiska, które już znamy. Ta sama instalacja stworzyła stan, o którym nie pisano jeszcze w podręcznikach. Sugeruje to, że symulatory kwantowe mogą więcej niż tylko naśladować naturę: mogą „wymyślić” nową fizykę, pomagając zrozumieć, w jaki sposób rzeczywistość wyłania się z zupy kwantowej.
Następnym krokiem na horyzoncie będą prawdopodobnie dokładniejsze czujniki kwantowe. Lub bezpieczniejsze szyfrowanie. Albo materiały o jakich nam się jeszcze nie śniło.
W tej chwili naukowcy mają morze, które nie powinno istnieć. A ich badania są dalekie od ukończenia.
