Fysikere har avkjølt partikler til innenfor en milliarddel av en grad over absolutt null.
De ønsket å få innsikt i kvantemekanikkens sprø verden.
De japanske og amerikanske fysikerne brukte lasere for å avkjøle ytterbium atomer for å undersøke de uutforskede effektene av kvantemagnetisme. Funnene deres er publisert i Naturfysikk.
“Med mindre en fremmed sivilisasjon gjør eksperimenter som disse akkurat nå, når dette eksperimentet kjører ved Kyoto University, lager det de kaldeste fermionene i universet,” sier den korresponderende forfatteren Kaden Hazzard, fra Rice University i Texas. «Fermioner er ikke sjeldne partikler. De inkluderer ting som elektroner og er en av to typer partikler som all materie er laget av.”
En milliarddels grad over absolutt null høres imponerende ut, men hva betyr det egentlig?
Absolutt null er -273,15 °C eller 0 K (der K står for Kelvin – standard vitenskapelig måling av temperatur). Til sammenligning er selv det kalde, døde, tomme vakuumet i rommet milde 2,7 °C over det absolutte nullpunktet. Dette er fordi, selv 13,7 milliarder senere, fortsetter den gjenværende “ettergløden” av Big Bang å gi selv de fjerneste delene av verdensrommet litt varme.
Ingenting kan bli kaldere enn absolutt null. Ved 0 K kan ingen energi fra molekylær bevegelse (kjent for oss vanlige folk som “varme”) overføres fra ett system til et annet. Den eneste bevegelsen ved absolutt null er kvantevibrasjonen av partikler kjent som “nullpunktsenergi.” Men la oss ikke gå foran oss selv.
Det er nok å si at energi aldri kan bli lavere enn energien ved 0 K – punktet der varmeoverføringen opphører.
Sikkert, hvis ting virkelig er så dødt nær absolutt null, kan det ikke være mange interessante ting som skjer. Tvert imot…
“Gevinsten av å bli så forkjølet er at fysikken virkelig endrer seg,” sier Hazzard. “Fysikken begynner å bli mer kvantemekanisk, og den lar deg se nye fenomener.”
Partikler som fotoner og elektroner er underlagt kvantedynamikkens lover.
Les mer: “Microfridge” som er i stand til å kjøle ned gjenstander i cellestørrelse som skal brukes i undersøkelser av kvanteforviklinger
Laserkjøling har blitt brukt av fysikere for å kjøle ned atomer til latterlig lave temperaturer i et kvart århundre nå. Ved å tvinge atomet til å absorbere og re-utsende et foton (en partikkel av lys), kan fysikere endre og manipulere momentum (vibrasjoner) til atomene.
Temperaturen til atomene er relatert til deres bevegelser i forhold til hverandre. Men hvis de alle beveger seg med samme hastighet og i samme retning, jo lavere er temperaturen.
Ved å bruke utvalget av laserkjølte ytterbium-atomer, var fysikerne i stand til å simulere oppførselen til magnetiske og superledende materialer. En slik oppførsel involverer den kollektive oppførselen til elektroner som ligner på en mengde mennesker som utfører “bølgen” på et stadion.
De sammenlignet sin eksperimentelle simulering med de teoretiske resultatene av slike kvantemagnetiske materialer som beskrevet av den matematisk komplekse Hubbard-modellen opprettet i 1963 av den teoretiske fysikeren John Hubbard.
Analysen deres viste at de hadde oppnådd rekordhøye temperaturer.
“Sammenligner målingene deres med våre beregninger, kan vi bestemme temperaturen. Den rekordhøye temperaturen oppnås takket være morsom ny fysikk som har å gjøre med den svært høye symmetrien til systemet, sier Hazzard.
Når fysikere snakker om symmetri, refererer de til transformasjonene du kan utføre på et gitt system (for eksempel 90-graders rotasjon) som ikke viser noen endring i de fysiske egenskapene til systemet.
Hubbard-modellen simulert i Kyoto brukte “spinn”-symmetri i ytterbium.
Spinn er en av de merkelige kvantekvalitetene som ikke har noen ekte analog i vår daglige opplevelse. Kvantemekanikk forteller oss at det finnes en rekke forskjellige typer vinkelmoment. Orbital vinkelmomentum er enkelt – dette er når en partikkel, som et negativt ladet elektron, går i bane rundt en sentral kraft som den sentrale kraften som den positive ladningen gir på en atomkjerne.
Spinnvinkelmomentum er imidlertid litt mer komplekst. Det beskrives best som at partiklene “snurrer” på sin egen akse. Men gitt at partikler ikke har en “form” som vi virkelig kan forestille oss (nei, de er ikke sfærer), er det vanskelig å forestille seg hva det egentlig betyr.
Det er seks mulige arrangementer av spinntilstandene til ytterskallelektronene, noe som betyr at ytterbium har seks spinntilstander – referert til i matematikk som en “spesiell enhetlig” gruppe 6, eller SU(6). Kyoto-simulatoren er den første i verden som avslører magnetiske korrelasjoner i en SU(6) Hubbard-modell. Dette betyr at den kvantemagnetiske justeringen av ett atom påvirker andre.
Ettersom tallet, N, i SU(N) blir høyere, blir også kompleksiteten til systemet.
“Det er den virkelige grunnen til å gjøre dette eksperimentet,” sier Hazzard. “Fordi vi dør etter å vite fysikken til denne SU(N) Hubbard-modellen.”
Medforfatter Eduardo Ibarra-García-Padilla, en doktorgradsstudent ved Rice University, sier at Hubbard-modellen tar sikte på å fange opp de grunnleggende årsakene til at materialer blir metaller, isolatorer, magneter eller superledere.
“Et av de fascinerende spørsmålene som eksperimenter kan utforske er rollen til symmetri,” legger Ibarra-García-Padilla til. “Å ha evnen til å konstruere det i et laboratorium er ekstraordinært. Hvis vi kan forstå dette, kan det lede oss til å lage ekte materialer med nye, ønskede egenskaper.”
Kyoto-eksperimentene gir et glimt av hvordan disse komplekse kvantesystemene fungerer ved å la fysikere se dem i aksjon.
“Akkurat nå er denne koordinasjonen kortreist, men etter hvert som partiklene avkjøles ytterligere, kan det dukke opp subtile og mer eksotiske faser av materie,” forklarer Hazzard. “Noe av det interessante med noen av disse eksotiske fasene er at de ikke er ordnet i et åpenbart mønster, og de er heller ikke tilfeldige. Det er korrelasjoner, men hvis du ser på to atomer og spør: ‘Er de korrelert?’ du vil ikke se dem. De er mye mer subtile. Du kan ikke se på to eller tre eller til og med 100 atomer. Du må liksom se på hele systemet.»
“Disse systemene er ganske eksotiske og spesielle, men håpet er at ved å studere og forstå dem, kan vi identifisere nøkkelingrediensene som må være der i ekte materialer,” sier Hazzard.