Cercetătorii au capturat descompunerea unui nod cuantic (stânga), care s-a dezlănțuit după câteva microsecunde și, în cele din urmă, s-a transformat într-un vârtej rotativ (dreapta).
Mări / Cercetătorii au capturat descompunerea unui nod cuantic (stânga), care s-a dezlănțuit după câteva microsecunde și, în cele din urmă, s-a transformat într-un vârtej rotativ (dreapta).

Tuomas Ollikainen / Aalto University

Aceeași echipă care a legat primii „noduri cuantice” într-un superfluid în urmă cu câțiva ani a descoperit acum că nodurile se descompun sau „se dezleagă” de ele însele, destul de curând după formare, înainte de a se transforma într-un vortex. Cercetătorii au produs, de asemenea, primul „film” al procesului de descompunere în acțiune și și-au descris activitatea într-o lucrare recentă în Physical Review Letters.

Un matematician probabil ar defini un adevărat nod ca un fel de formă de covrig sau un cerc înnodat. Un nod cuantic este puțin diferit. Este compus din inele sau bucle asemănătoare particulelor care se conectează între ele exact o dată. Un nod cuantic este stabil din punct de vedere topologic, asemănător cu un soliton – adică este un obiect cuantic care acționează ca o undă călătoare care continuă să se rostogolească înainte cu o viteză constantă, fără a-și pierde forma.

Fizicienii credeau de mult timp că ar putea fi posibilă formarea unor astfel de structuri în câmpuri cuantice, dar s-a dovedit dificil să le producă în laborator. Așadar, a existat o emoție considerabilă la începutul anului 2016, când cercetătorii de la Universitatea Aalto din Finlanda și Colegiul Amherst din SUA au anunțat că au îndeplinit faza în fizica naturii. Nodurile create de Mikko Möttönen, de la Aalto și de David Hall de la Amherst, semănau cu inele de fum.

Nodurile cuantice dintr-un superfluid seamănă cu inelele de fum. "src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/11/knotB-640x180.jpg "width =" 640 "height =" 180 "srcset =" https: //cdn.arstechnica .net / wp-content / uploads / 2019/11 / knotB.jpg 2x
Mări / Nodurile cuantice dintr-un superfluid seamănă cu inelele de fum.

David Hall, Colegiul Amherst

Hall și Möttönen au folosit o stare cuantică a materiei cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein (BEC) ca mediu – tehnic un superfluid. Apoi au „legat” nodurile manipulând câmpuri magnetice. Dacă vă gândiți la câmpul cuantic ca la puncte în spațiu, care au fiecare o orientare – cum ar fi săgețile toate îndreptate în sus, de exemplu – miezul unui nod cuantic ar fi un cerc în care săgețile toate îndreaptă în jos, similar cu modelul de fire de ochi al unui zeu. . „Dacă ați urma linia câmpului magnetic, s-ar merge spre centru, dar în ultima clipă s-ar îndepărta într-o direcție perpendiculară”, a spus Hall pentru Gizmodo în 2016. „Este un mod particular de rotire a acestor săgeți care vă oferă acest lucru configurare legată. "

În cele din urmă, au ajuns atât de bine să facă noduri cuantice încât au reușit să facă mici filme cu structuri exotice. Cu toate acestea, încă nu era clar ce se va întâmpla cu nodurile cuantice de-a lungul timpului. Sigur, erau topologice stabile. Dar Hall și Möttönen au crezut că nodurile ar trebui să se micșoreze în timp ca un mijloc de a-și minimiza energia, la fel cum o bulă își asumă în mod natural o formă sferică, sau o minge „vrea” să se rostogolească pe un deal, reducând la minimum energia potențială. Cu alte cuvinte, nodurile cuantice s-ar putea să nu fie stabile din punct de vedere dinamic, făcând o clipă din existență înainte ca mediul lor superfluid să se descompună. Dacă își pot depăși mediul superfluid, acestea ar fi în mod eficient stabile.

De atunci, grupul a obținut un control și mai bun asupra mediului BEC, permițându-le să detecteze descompunerea nodurilor și formarea unui nou tip de defect topologic (un vortex). După ce au creat un nod printr-un câmp magnetic structurat cu atenție, ei au „perturbat” BEC prin eliminarea câmpului și imagistica ce s-a întâmplat în continuare. Experimentul a arătat două etape distincte ale procesului de descompunere. La început, nodul a rămas stabil, în timp ce mai multe „insule feromagnetice” s-au dezvoltat în BEC (nemagnetic). Dar apoi nodul s-a dizolvat după câteva sute de milisecunde, iar insulele feromagnetice au migrat spre marginile BEC, lăsând în centru un nucleu nemagnetic. În cele din urmă, un vortex de rotiri atomice s-a format între cele două regiuni magnetice ale BEC.

Înființarea experimentală la Amherst College unde sunt fabricate gaze cuantice. "Src =" https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/11/knot2-640x438.jpg "width =" 640 "înălțime = "438" srcset = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2019/11/knot2.jpg 2x
Mări / Înființarea experimentală la Colegiul Amherst unde sunt fabricate gaze cuantice.

David Hall / Colegiul Amherst

„Faptul că nodul se descompune este surprinzător, deoarece structurile topologice precum nodurile cuantice sunt de obicei excepțional de stabile”, a declarat coautorul Tuomas Ollikainen. "Este de asemenea interesant pentru domeniu, deoarece observația noastră că un defect cuantic tridimensional se încadrează într-un defect unidimensional nu a mai fost văzut până acum în aceste sisteme cu gaze cuantice."

Deocamdată, cel puțin, nodurile cuantice rămân o curiozitate de laborator, însă cercetările s-ar putea să se bazeze pe cercetări în curs de construire a calculatoarelor cuantice topologice. Un astfel de dispozitiv ar împleti cheful în diferite structuri stabile topologic, ceea ce face computerul mai robust împotriva erorilor. Această ultimă constatare indică faptul că timpul poate fi un factor important, având în vedere rata de descompunere a nodurilor.

„Ar fi minunat să vedem că această tehnologie este folosită într-o zi într-o aplicație practică, ceea ce se poate întâmpla”, a spus Möttönen. "Ultimele noastre rezultate arată că, în timp ce nodurile cuantice în gazele atomice sunt interesante, trebuie să fii rapid să le folosești înainte de a se dezlipa. Astfel, primele aplicații sunt probabil găsite în alte sisteme."

DOI: Scrisori de recenzie fizică, 2019. 10.1103 / PhysRevLett.123.163003 (Despre DOI).

Sursa articol

LĂSAȚI UN MESAJ

Please enter your comment!
Please enter your name here