Fizikai sukūrė vienas nuo kito atšokančius dujų debesėlius

Kuomet vienas dujų debesėlis savo kelyje sutinka kitą, paprastai jie vienas kitą praeina. Tačiau Masačusetso technologijos instituto (JAV) fizikai sukūrė tokius ultrašaltųjų dujų debeėlius, kurie vienas nuo kito atšoka tarsi boulingo kamuoliai, nepaisant mikroskopinio jų mastelio.

Nors eksperimentai buvo atlikti su ličio atomų debesėliais, atšaldytais iki temperatūros, labai artimos absoliučiam nuliui, gauti rezultatai taip pat gali padėti suprasti panašių sistemų, pavyzdžiui, neutroninių žvaigždžių, aukštatemperatūrių superlaidininkų ar kvarkų – gliuonų plazmos, elgesį.

Tyrėjai, vadovaujamai Masačusetso technologijos instituto asistuojančio profesoriaus Martino Zvierleino (Martin Zwierlein), eksperimentus atliko su ličio izotopais. Šios dalelės, kaip ir visos įprastinę medžiagą sudarančios dalelės – elektronai, protonai, neutronai ir kvarkai – yra vadinamos fermionais.

Skirtingos fermioninės medžiagos būsenos skiriasi savo judriu. Pavyzdžiui, elektronai gali būti judrūs metale, nejudrūs dielektrike arba gali tekėti be jokio pasipriešinimo superlaidininke. Tačiau daugybei medžiagos rūšių, įskaitant ir aukštatemperatūrius superlaidininkus, nėra aišku, kokios aplinkybės verčia fermionus pereiti į atitinkamą medžiagos būseną. Tai ypač būdinga medžiagoms, kuriose fermionai stipriai sąveikauja, mat jose šios dalelės yra labiau linkę susidurti viena su kita (tai dar vadinama sklaida).

Matyti, jog du mikroskopiniai dujų debesėliai (vienas pažymėtas raudonai, kitas mėlynai) dėl kvantinių mechaninių sąveikų vienas kitą stipriai stumia. Tokiais dujų debesėliais galima modeliuoti medžiagą, veikiamą ekstremalių sąlygų, pavyzdžiui, neutronines žvaigždes arba ankstyvosios Visatos kvarkų – gliuonų plazmą.

Aprašomame tyrime mokslininkai siekė sumodeliuoti stipriai sąveikaujančias sistemas, naudodami ličio dujų atomus tarsi šie atitiktų elektronus. Magnetiniu lauku reguliuodami ličio atomų energijos būsenas, tyrėjai privertė atomus tarpusavyje sąveikauti taip stipriai, kiek tai leidžia gamtos dėsniai. Tai reiškia, kad kiekvienąkart atomui susidūrus su kitu atomu, pasireikšdavo sklaidos reiškinys.

Tam, kad pašalintų bet kokius šiluminės energijos išsiskyrimo reiškinius, fizikai atšaldė dujas iki labai absoliučiam nuliui artimos temperatūros. Tuomet buvo panaudotos magnetinės jėgos, kurios dujas išskyrė į du debesėlius: vienas jų pažymėtas „sukiniai aukštyn“, o kitas „sukiniai žemyn“ vardu. Tada tyrėjai privertė debesėlius susidurti gaudyklėje, kurią suformavo lazerio spinduliuotė. Užuot praėję vienas pro kitą, kaip kad būtų klasikiniu atveju, debesėliai ėmė vienas kitą labai stipriai stumti.

„Kuomet pamatėme, jog šie dujų debesėliai atšoko vienas nuo kito, mes likome visiškai apstulbinti“, – pasakoja pagrindinis straipsnio autorius Arielis Somersas (Ariel Sommer).

Nors dujų debesėliai galiausiai susimaišė, jiems kelis kartus prireikė sekundės ar net ilgesnio laiko tarpo – tai nepaprastai ilgas periodas vyksmui, stebimam mikroskopiniu masteliu.

Šis tyrimas yra dalis programos, skirtos panaudoti ultrašaltuosius atomus kaip lengvai valdomas modelines sistemas sudėtingų medžiagų, pavyzdžiui, aukštatemperatūrių superlaidininkų arba novatoriškų magnetinių darinių, nagrinėjimui. Tikimasi, šios medžiagos padės patobulinti duomenų saugojimo technologijas arba padidins prietaisų energijos suvartojimo efektyvumą.

Toliau tyrėjai ketina apsiriboti dvimačiu ličio dujų modeliu – tai leis modeliuoti dvimates elektronų būsenas, pasireiškiančias aukštatemperatūriuose superlaidininkuose.

Mokslininkų darbas taip pat gali būti panaudotas modeliuojant kitas stipriai sąveikaujančias sistemas, pavyzdžiui, itin tankias neutronines žvaigždes, kurių skersmuo siekia vos kelias dešimtis kilometrų, nors masė gerokai didesnė už Saulės.

Kita labai stipriai sąveikaujanti terpė yra vadinamoji kvarkų – gliuonų plazma, egzistavusi Visatos formavimosi metu ir atkurta dalelių greitintuvuose. Fizikai įsitikinę, jog ultrašaltųjų ličio dujų debesėlių eksperimentai surastų pritaikymo sritį ir čia.