Istnienie kryształów Pauliego potwierdzone doświadczalnie

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.

 IF_PAN_kryształy_Pauliego-rys1-23-06-2020sml.jpg

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.

IF_PAN_kryształy_Pauliego.jpg

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