popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 151527, nr raportu: 3068. Kierownik (z rap.): mgr Katarzyna Targońska
Popularyzatorski opis rezultatów
W niskich temperaturach zachowaniem cząstek rządzą prawa mechaniki kwantowej. Zatem atomy
zachowują się jak fale, ulegają interferencji i mogą wzajemnie ”wzmacniać” się i ”wygaszać” podobnie jak
fale na wodzie. Jeszcze bardziej fascynujące są procesy, w których wiele identycznych cząstek znajduje się
w kwantowym reżimie.
Gaz identycznych bozonów (cząstek o spinie całkowitym) może ulegać kondensacji Bosego-Einsteina, czyli
przejściu fazowemu do nowego stanu materii, w którym wszystkie atomy zajmują ten sam stan kwantowy.
Atomy tracą swą integralność i tworzą gigantyczną falę materii opisaną przez jedną makroskopową funkcję
falową. Różnica między kondensatem Bosego Einsteina (BEC) a klasycznym gazem (np. otaczającym nas
powietrzem) jest analogiczna do różnicy między światłem z lasera i z żarówki. Molekuły w powietrzu i
fonony (cząsteczki światła) emitowane przez żarówkę mają nieco inne energie i poruszają się w
przypadkowych kierunkach. Z drugiej strony fotony z wiązki laserowej i atomy w BEC mają identyczne
energię i ”maszerują w zgodnym szyku”. Jeśli dodatkowo atomy oddziałują ze sobą, to obserwuje się
zjawisko nadciekłości, czyli zdolność do przepływu bez tarcia.
Natomiast fermiony (cząstki o spinie połówkowym) muszą zajmować różne stany kwantowe, wymaga tego
zakaz Pauliego. Jednakże, przy bardzo niskich temperaturach, fermiony mogą łączyć się w pary tworząc
złożone bozony, które następnie ulegają kondensacji i również wykazują nadciekłość. Opisany mechanizm
jest tożsamy ze zjawiskiem nadprzewodnictwa. Dla tego procesu sparowane fermiony są elektronami, które
niosą ładunek elektryczny, a więc ich przepływ bez tarcia odpowiada przepływowi prądu elektrycznego, bez
żadnego oporu.
Te i wiele innych z kwantowych zjawisk wielodziałowych występują w różnych układach fizycznych,
począwszy od materiałów powszechnego użytku, a na gwiazdach neutronowych skończywszy. Tak, więc
głębsze zrozumienie zasad fizyki powinno umożliwić stworzenie nowych materiałów o ogromnym
znaczeniu technologicznym, na przykład wysokotemperaturowych nadprzewodników, które mogą być
wykorzystywane do produkcji super pojemnych pamięci komputerowych.
Idealnym układem do eksperymentalnych badań nad podstawami fizyki wielu ciał jest gaz atomowy
schłodzony do ekstremalnie niskich temperatur (różnych od zera bezwzględnego jedynie o jedną milionową
część stopnia!). Jest tak dlatego, że wysoki poziom kontroli nad tymi ultra-zimnymi gazami umożliwia
testowanie teorii wielu ciał i eksploracje nowych systemów.
W projekcie, zbadaliśmy różne sposoby, w jakich oddziaływania między cząstkami mogą mieć wpływ na
kondensację i zjawisko nadciekłości w ultra-zimnych gazach atomowych. Zajmowaliśmy się analizą
wzajemnych oddziaływań między atomami i światłem. Badaliśmy mieszaniny cząstek zarówno bozonów i
fermionych poddane różnym oddziaływaniom w układach jednorodnych jak i uwięzionych w "sieci
optycznej", która naśladuje strukturę krystaliczną ciała stałego. Nasze główne wyniki obejmują możliwości
realizacji nowych faz materii, w którym fermiony i bozony mogą wzajemnie kontrolować fazę swoich
kwantowych funkcji falowych. Fazy te są koncepcyjnie powiązane z istotnym zjawiskiem "frustracji"
występującym w układach klasycznych magnesów i mogą być zrealizowane w istniejących laboratoriach. Z
tego powodu wykonana praca zyskała zainteresowanie międzynarodowego grona fizyków zajmujących się
teorią jak i eksperymentem. Dodatkowo zidentyfikowano możliwość obserwacji zjawiska, które może być
sygnaturą nadciekłości fermionowej w mieszaninach fermionów i bozonów. Rozwijanie eksperymentalnych
metod detekcji nadciekłości fermionowej jest problemem wyjątkowo istotnym. Względna prostota
opracowanej metody, oparta na "samo-lokalizacji" domieszki atomów bozonowych zanurzonych w gazie
Fermiego, może spotkać się z zainteresowaniem przyszłych eksperymentów.