Krople kwantowe - egzotyczne, ale coraz lepiej rozumiane

Kondensaty Bosego-Einsteina pojawiają się w gazach schłodzonych do ultraniskich temperatur. Od kilku lat wiadomo, że mogą się w nich formować krople kwantowe, niezwykłe obiekty wykazujące cechy zarówno gazów, jak i cieczy. Fizycy z kilku warszawskich instytucji połączyli siły, aby dokładniej opisać ich zachowanie.

Niemal dokładnie wiek temu Albert Einstein i Satyendra Bose przewidzieli istnienie nowego stanu ultrazimnej materii: kondensatu nazwanego później ich nazwiskami. Kondensat Bosego-Einsteina był tak egzotyczny, że w laboratoriach udało się go wyprodukować dopiero pod koniec XX wieku. Parę lat temu ponownie zaskoczył fizyków. Okazało się bowiem, że mogą się w nim pojawiać struktury jeszcze bardziej niezwykłe, nazwane kroplami kwantowymi. Ich właściwości stają się teraz lepiej zrozumiałe dzięki wysiłkowi teoretyków z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk. Wyniki swoich prac zespół opublikował w kilku artykułach, z których najnowszy ukazał się na łamach czasopisma „New Journal of Physics”.

Kondensat Bosego-Einsteina formuje się, gdy rozrzedzony gaz bozonowy (a zatem zbudowany z cząstek lub par cząstek o spinie całkowitym) zostanie schłodzony poniżej bardzo niskiej temperatury krytycznej, rzędu setek nanokelwinów. Atomy gazu obsadzają wówczas podstawowy stan energetyczny i zaczynają kolektywnie wykazywać te same właściwości kwantowe. Charakterystyczną cechą kondensatu Bosego-Einsteina jako płynu jest zanik lepkości, czyli nadciekłość.

„O kroplach kwantowych mówimy wtedy, gdy w odpowiednich warunkach w odpowiednio przygotowanym kondensacie Bosego-Einsteina utworzą się stabilne grupy atomów charakteryzujące się wyraźnymi granicami przestrzennymi i stałą gęstością, która nie zależy od liczby przyłączanych atomów”, tłumaczy dr hab. Paweł Zin z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ i natychmiast podkreśla niezwykłość sytuacji: „Krople kwantowe można sobie wyobrażać jako dobrze zlokalizowane obłoczki o rozmiarach liczonych w mikrometrach. Z pozoru to wciąż gaz, ale przecież bardzo dziwny, ponieważ nie wykazuje podstawowej cechy gazów: nie dąży do wypełnienia całej objętości naczynia, w którym się znajduje”.

Aby krople kwantowe mogły powstać, między atomami bądź cząsteczkami kondensatu Bosego-Einsteina muszą jednocześnie działać siły przyciągające i odpychające. Warunek ten spełniają niektóre mieszaniny gazów oraz gazy jednoskładnikowe, w których dochodzi do oddziaływań dipolowych, czyli takich, gdzie bieguny atomów/cząsteczek o przeciwnym znaku się przyciągają, a o tym samym odpychają. Jeśli proporcja między obu rodzajami sił zostanie dopasowana tak, żeby grupa atomów tworzących kondensat wolno się zapadała, w pewnym momencie do gry wejdą wcześniej nieistotne efekty kwantowe. Ich obecność ustabilizuje gęstość materii, doprowadzając do powstania kropli kwantowych.

Eksperymentalne badanie kropel kwantowych wiąże się z możliwością umieszczania ich w zewnętrznym potencjale, wytwarzanym na przykład za pomocą pól magnetycznych czy światła laserowego. Krople mogą być wtedy ściskane w jednym lub dwóch wymiarach. Dotychczasowe narzędzia teoretyczne nie opisywały takich sytuacji. Tymczasem warszawscy fizycy zdołali rozwinąć techniki obliczeniowe, które pozwoliły im uporać się z zadaniem.

„Mimo pewnych trudności matematycznych udało nam się zbudować spójny obraz tego, co się dzieje z kroplami kwantowymi o małej gęstości, jeśli poddamy je działaniu sił zewnętrznych. Dalszy rozwój teorii w tym zakresie stanie się możliwy, gdy pojawią się wyniki z nowych eksperymentów. Inicjatywa jest teraz po stronie fizyków doświadczalnych”, stwierdza dr Maciej Pylak (Zakład Fizyki Teoretycznej NCBJ).

Małe krople kwantowe wykazują ciekawą cechę: wzbudzone termicznie, natychmiast wyrzucają część swoich atomów by przywrócić sobie temperaturę minimalną. Właściwość ta sugeruje, że w przyszłości krople mogłyby znajdować zastosowanie przy schładzaniu innych układów fizycznych, a więc w charakterze kwantowych lodówek. Kolejnym obszarem potencjalnych zastosowań kropel kwantowych, dość zaskakującym, są symulacje astrofizyczne. Okazuje się, że przy odpowiednim doborze składu kondensatu, za pomocą kropel można byłoby odtwarzać na przykład ostatnie etapy ewolucji układów podwójnych składających się z białego karła i czarnej dziury. Obecnie główną przeszkodą w realizacji przedstawionych zamierzeń jest krótki czas życia kropel kwantowych, rzędu dziesiątków milisekund. Dalsze prace teoretyczne i doświadczalne być może pozwolą go wydłużyć.

Warszawskie badania nad kroplami kwantowymi sfinansowano z grantów Narodowego Centrum Nauki.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
„Self-consistent Description of Bose-Bose Droplets: Modified Gapless Hartree-Fock-Bogoliubov Method”
P. Zin, M. Pylak, Z. Idziaszek, M. F. Gajda
New Journal of Physics 24 113038 (2022)
DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/aca175

ILUSTRACJA: Kwantowe krople gazowego kondensatu Bosego-Einsteina mają stałą gęstość i wyraźne granice, podobnie jak widoczne na zdjęciu krople wody. (Źródło: Pixabay)