Zespół z Purdue University dokonał właśnie czegoś, co wielu uważało za nieosiągalne. Badaczom udało się rozwiązać skomplikowany problem kwantowy dla pięciu oddziałujących ze sobą atomów, co stanowi prawdziwy krok milowy w dziedzinie fizyki atomowej. To osiągnięcie wieńczy półtorej dekady żmudnych obliczeń i stwarza nowe możliwości badania fundamentalnych właściwości materii.
Przełom po latach obliczeń
Professor Christopher Greene wraz ze swoim zespołem zmierzył się z jednym z najtrudniejszych wyzwań współczesnej fizyki. Główną trudnością było rozwiązanie równania Schrödingera dla większej liczby cząstek – zadania, którego skala komplikacji rośnie wykładniczo z każdym dodatkowym atomem.
Czytaj także: Fizycy dokonali tego w temperaturze pokojowej. Ich sukces zmieni naukę
Sukces stał się możliwy dzięki połączeniu kilku kluczowych czynników. Szybsze komputery, zaawansowane techniki przetwarzania równoległego i głębsze zrozumienie matematyki pozwoliły badaczom pójść krok dalej. Greene, który już w 2009 roku modelował problem czterech atomów, potrzebował aż 15 lat, aby osiągnąć kolejny poziom złożoności.
Nowe obliczenia umożliwiają przewidywanie tempa, w jakim pięć identycznych bozonów będzie się łączyć w czasie. To niezwykle cenna informacja dla naukowców badających procesy zachodzące w ultrachłodnych gazach atomowych, gdzie temperatury sięgają zera absolutnego.
Od teorii do praktyki
Efekt Efimova to zjawisko przewidziane przez rosyjskiego fizyka Vitaly’ego Efimova w latach 70. ubiegłego wieku. Przez dziesiątki lat pozostawało jedynie teoretyczną ciekawostką, a jego eksperymentalne potwierdzenie nastąpiło dopiero po ponad 35 latach od przewidzenia.
Przełomowy moment nastąpił w 2004 roku, gdy europejski zespół badawczy po raz pierwszy eksperymentalnie wywołał stan Efimova u trzech atomów cezu w ultrachłodnym gazie. Od tego czasu procedura stała się standardem w laboratoriach kwantowych na całym świecie.
Badania ujawniły uniwersalny charakter tego zjawiska. Rekombinacja trójciałowa stała się głównym procesem utraty w ultrachłodnych gazach, gdzie trzy atomy zderzają się jednocześnie, wymieniają energię i tworzą związane podsystemy.
Mechanizmy na poziomie atomowym
Naukowcom udało się zidentyfikować dwa różne mechanizmy kontrolujące rekombinację trójciałową. Pierwszy działa dla dodatnich długości rozpraszania, podczas gdy drugi – nowy mechanizm tunelowania – aktywuje się dla ujemnych wartości.
Tempo rekombinacji rośnie proporcjonalnie do czwartej potęgi długości rozpraszania dla dużych wartości bezwzględnych. To matematyczne odkrycie pomaga przewidywać, kiedy i jak szybko atomy będą się łączyć w różnych warunkach.
Praktyczne znaczenie odkrycia
Nowe obliczenia mają znaczenie wykraczające poza akademickie zainteresowania. Ich zastosowania obejmują różne obszary – od grup atomów w pułapkach laserowych po gazy w gwieździe neutronowej.
Teoria przewiduje warunki, w których rekombinacja pięciociałowa może stać się dominującym procesem utraty w ultrachłodnych gazach. Co więcej, obliczenia wskazują regiony, gdzie proces ten może powodować rozpad chmury atomów szybciej niż rekombinacja trój- czy czterociałowa.
Takie prognozy będzie można zweryfikować w pułapkach o jednolitej gęstości. Eksperymenty mogą potwierdzić teoretyczne przewidywania i otworzyć nowe możliwości kontroli nad ultrachłodnymi gazami atomowymi.
Perspektywy komercyjne
Zrozumienie mechanizmów oddziaływania pięciu cząstek może prowadzić do opracowania efektywniejszych metod ograniczania atomów do celów badawczych. To ważny krok w rozwoju technologii kwantowych poza środowiskiem laboratoryjnym, choć do praktycznych wdrożeń droga wciąż jest daleka.
Czytaj także: Nielokalność kwantowa bez splątania? Fizycy nie rozumieją, jak to możliwe
Badanie opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences stanowi solidny fundament dla przyszłych eksperymentów z ultrachłodnymi gazami. Dzięki niemu naukowcy będą mogli lepiej przewidywać i kontrolować zachowanie atomów w skrajnie niskich temperaturach.
Osiągnięcie zespołu Greene’a pokazuje, jak połączenie teoretycznego zrozumienia, zaawansowanych obliczeń i cierpliwości może rozwiązywać problemy, które przez lata wydawały się nie do pokonania. Efekt Efimova, od teoretycznego przewidzenia przez eksperymentalne potwierdzenie aż do rozszerzenia na pięć atomów, doskonale ilustruje długą drogę od czystej teorii do praktycznych zastosowań w fizyce kwantowej.