Istnienie kryształów Pauliego potwierdzone doświadczalnie
-
Nadrzędna kategoria: Wiadomości Naukowe
Teoria naukowców z Instytutu Fizyki PAN została doświadczalnie potwierdzona przez niemieckich fizyków z Uniwersytetu w Heidelbergu. Chodzi o formowanie się kryształów Pauliego – struktur atomów o niezwykłym geometrycznym ułożeniu. To kolejny krok do rozwoju technologii kwantowych, które odmienią nasze życie.
Przewidywane teoretyczne obrazy odpowiadające rezultatom pomiarów kryształów Pauliego dla 3, 6 i 15 atomów
W kryształach (np. soli, cukru czy diamentu) atomy ustawiają się w regularną sieć. Dzieje się tak, bo działają miedzy nimi siły przyciągania (tworzą się wiązania chemiczne). W kryształach Pauliego jest inaczej. Atomy nie przyciągają się i nie odpychają, a jednak formują regularne kształty.
Zjawisko zachodzi, gdy rozrzedzony gaz jest schłodzony do temperatury bliskiej tzw. bezwzględnemu zeru, a odpowiednio dobrane pole magnetyczne sprawia, że atomy przestają ze sobą oddziaływać.. Atomy układają się wtedy spontanicznie w geometryczne struktury. Ten zaskakujący efekt jest przejawem praw fizyki kwantowej, którym podlega materia w mikroskali.
Naukowa podstawa zjawiska
Atomy organizują się w określony kształt ze względu na tzw. zakaz Pauliego – jedno z najbardziej nieintuicyjnych praw kwantowych. Zasadę tę stosuje się wyłącznie do cząstek zwanych fermionami. W przypadku neutralnych atomów fermionami są te, które mają nieparzystą liczbę neutronów.
Reguła mówi o tym, że żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że fermiony zachowują się jak skłócone rodzeństwo, które nie chce mieszkać w jednym pokoju i nalega na jednoosobowe zakwaterowanie.
W 2015 roku – 90 lat po sformułowaniu przez Wolfganga Pauliego słynnego zakazu – naukowcy z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie wykazali teoretycznie, że konsekwencją reguły jest niezwykłe ułożenie atomów w przestrzeni. Na trop kryształów wpadli prof. Jan Mostowski, prof. Mariusz Gajda, prof. Tomasz Sowiński i prof. Magdalena Załuska-Kotur.
Teraz grupa badawcza kierowana przez prof. Selima Jochima z Uniwersytetu w Heidelbergu potwierdziła w eksperymencie wspomnianą teorię (na atomach jednego z izotopów litu). To wspaniały sukces zarówno niemieckich, jak i polskich fizyków.
Autorzy teorii o kryształach Pauliego. Od lewej: prof. Tomasz Sowiński, prof. Mariusz Gajda, prof. Magdalena Załuska-Kotur i prof. Jan Mostowski
Technologie kwantowe motorem rozwoju
Zaobserwowanie kryształów Pauliego to kolejny krok do lepszego zrozumienia praw przyrody, ale przede wszystkim – do rozwoju technologii kwantowych, które zmienią nasze codzienne życie. Przykładem są komputery kwantowe, które swoimi możliwościami obliczeniowymi mają pobić na głowę klasyczne urządzenia.
Źródło informacji i zdjęcia: Instytut Fizyki PAN