Polscy fizycy z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk pod kierunkiem prof. Kazimierza Rzążewskiego uczestniczyli w pionierskim eksperymencie pomiaru fluktuacji liczby cząstek w kondensacie Bosego-Einsteina. Eksperyment wykonano w Danii, a zespół prof. Rzążewskiego odpowiadał za podstawę teoretyczną projektu.
Kondensat Bosego-Einsteina to stan skupienia materii, który występuje w skrajnie niskich temperaturach, niewiele wyższych od temperatury zera bezwzględnego (−273,15°C = 0K). Gdy materia osiąga ten stan skupienia, uwidaczniają się jej kwantowe właściwości. Atomy są tak zimne, że zachowują się bardziej jak fale niż jak cząstki. Co więcej, ponieważ fale poszczególnych atomów nakładają się na siebie, to kondensat zachowuje się jak jeden „superatom”, tworzy jedną wielką falę materii, która jest sumą setek tysięcy tworzących go atomów. Możliwość wystąpienia nowej, nieznanej formy materii przewidział w 1924 roku Albert Einstein. Jego teoria przewidywała, że jeśli bardzo mocno schłodzi się chmurę gazu pod odpowiednio niskim ciśnieniem, to podzieli się ona na dwie frakcje: standardową, w której cząstki poruszają się chaotycznie w różnych kierunkach ze średnią prędkością zależną od temperatury, oraz na kondensat Bosego-Einsteina, utworzony z cząstek, które będą lewitować praktycznie nieruchomo.
W duńskim eksperymencie zmierzono, ile ze schłodzonych atomów tworzy kondensat Bosego-Einsteina, a ile pozostaje zwykłym zimnym gazem, oraz w jakim stopniu liczby te podlegają zmianom. Choć badania nad właściwościami kondensatu ciągle się rozwijają, nikomu dotychczas nie udało się zmierzyć jednej z jego podstawowych właściwości. Zespół polskich naukowców opracował unikalne metody przygotowania chmury atomów, z ustaloną liczbą cząstek, z precyzją sięgającą dziesiątych części procenta. Pozwoliło to na wielokrotne, dokładne zmierzenie liczby atomów tworzących kondensat i określenie, jak liczba ta fluktuuje. Było to jednak wyzwanie nie tylko pod względem eksperymentalnym, ale także teoretycznym. Fizycy bowiem od dawna zastanawiali się nad tym, jakimi równaniami powinno się opisywać fluktuacje liczby atomów w kondensacie Bosego-Einsteina. Pytanie to pozostaje od lat otwarte, ponieważ nawet drobne zmiany w modelach teoretycznych prowadzą do zupełnie różnych wyników. Jednym z głównych problemów, nad którego rozwiązaniem wciąż pracują naukowcy, jest uwzględnienie w opisie teoretycznym zderzeń pomiędzy setkami tysięcy atomów tworzących kondensat. Polscy fizycy, używając metody pól klasycznych, wykazali, że w zrealizowanym doświadczeniu wpływ zderzeń między atomami na uzyskiwane wyniki jest niezwykle mały. Pozwoliło to na bardzo precyzyjną analizę przeprowadzonych badań. 95 lat – tyle upłynęło od momentu, w którym Einstein przewidział istnienie kondensatu, do zmierzenia fluktuacji, które w nim zachodzą.
– Wspólnymi siłami z naukowcami z Danii i Niemiec dokonaliśmy prekursorskiego pomiaru – mówi prof. Rzążewski. – Otworzyliśmy furtkę do lepszego zrozumienia własności statystycznych w zimnych atomach. W tej dziedzinie jest ciągle wiele zagadek, nad którymi pracują obecnie setki laboratoriów na świecie. Wypracowane w naszym eksperymencie metody przyspieszą ich prace.
– Wynik otwiera nowe możliwości praktyczne, zwłaszcza w dziedzinie metrologii. Dotychczas fluktuacje liczby cząstek były odpowiedzialne za istotne szumy zmniejszające precyzję pomiarów. Metody, które zastosowano w eksperymencie, pozwolą przezwyciężyć takie problemy. Kolejnym zastosowaniem jest tworzenie stanów splątanych, będących niezbędnym elementem wszystkich kwantowych technologii – dodaje dr Krzysztof Pawłowski, członek grupy badawczej.
Badania związane z kondensatem Bosego-Einsteina i chmurami zimnych atomów przyspieszają rozwój wielu nowych technologii. Chmury zimnych atomów są już m.in. rutynowo używane w najdokładniejszych na świecie zegarach atomowych. Niedawno zaczęto je także wykorzystywać do bardzo precyzyjnych pomiarów pól magnetycznych i grawitacyjnych. Dzięki temu możliwy jest już na przykład pomiar przyciągania grawitacyjnego wywołanego masą człowieka. W przyszłości może to pozwolić na badania ruchów mas w głębi Ziemi i przewidywanie trzęsień Ziemi. Osobną gałęzią badań nad kondensatem Bosego-Einsteina jest też wykorzystanie go do budowy komputerów kwantowych, których idea jest oparta na kwantowych bitach, zwanych kubitami, w których 0 i 1 mogą występować jednocześnie. Ich zastosowanie pozwoli wykonywać złożone zadania matematyczne, szybciej niż jest to możliwe z wykorzystaniem klasycznych komputerów.
Realizacja tego prekursorskiego projektu trwała ponad trzy lata (2016–2019). W badania, oprócz Polaków, zaangażowani byli także fizycy z Uniwersytetu w Aarhus w Danii i Uniwersytetu w Hanowerze w Niemczech. Projektem kierował prof. Jan Arlt z Danii, który zajmuje się badaniem kwantowych własności gazów schłodzonych do ultraniskich temperatur. To właśnie w jego laboratorium na Uniwersytecie Aarhus uzyskano wynik doświadczalny. Badania zostały sfinansowane przez kilka instytucji z różnych krajów. Polskich naukowców wsparło Narodowe Centrum Nauki, badaczy z Niemiec Deutsche Forschungsgemeinschaft. Duńczycy otrzymali pomoc z Villum Fundation i Danish Council for Independent Research, oraz the Carlsberg Fundation. The Carlsberg Fundation to fundacja założona przez Duński browar Carlsberg, która wspiera innowacyjne badania naukowe.
Artykuł opisujący najnowsze osiągnięcie polskich fizyków został opublikowany w renomowanym czasopiśmie „Physical Review Letters”.
JK
(Źródło: CFT PAN)