Fizikai iš Jungtinio kvantinio instituto (Joint Quantum Institute) bendradarbiaudami su Nacionaliniu standartų ir technologijų institutu bei Maryland-College Park universitetu pirmą kartą pademonstravo svarbų kvantinį efektą, žinomą sukinio orbitos sąveikos pavadinimu, ultrašaltų dujų atomuose.
Fizikai iš Jungtinio kvantinio instituto (Joint Quantum Institute) bendradarbiaudami su Nacionaliniu standartų ir technologijų institutu bei Maryland-College Park universitetu pirmą kartą pademonstravo svarbų kvantinį efektą, žinomą sukinio orbitos sąveikos pavadinimu, ultrašaltų dujų atomuose. Jų atradimas atveria naujas galimybes tiriant bei stengiantis geriau suprasti fundamentinius fizikos dėsnius bei naujus kelius kuriant kvantinius kompiuterius, naujos kartos spintronikos ar net „atomtronikos“ įrenginius, pagamintus naudojant ultrašaltuosius atomus.
Mokslininkų pademonstruotame sukinio ir orbitos sąveikos eksperimente buvo naudojami du lazeriai, kurie leido atomams energetiškai judėti tarp dviejų energijos lygmenų. Jų darbas, publikuotas „Nature“ žurnale, pirmą kartą aprašė šį efektą bozonuose, kurie sudaro vieną iš dviejų pagrindinių elementariųjų dalelių rūšių. Mokslininkai mano, kad ypatingos fermionų savybės taip pat galėtų būti panaudotos nagrinėjant naujos rūšies sąveikas tarp dviejų dalelių. Tokiu būdu galėtų būti sukurtas „p-bangos“ superlaidumas, kuris, galbūt, sudarytų galimybę gauti ilgai ieškomų kvantinių kompiuterių rūšį, veikiančią, taip vadinamų, topologinių kvantinių skaičiavimų pagrindu.
Savo tyrime mokslininkai atrado, kad lazerio spinduliuotė keičia atomų tarpusavio sąveiką ir verčia atomus, esančius vienoje energijos būsenoje atsiskirti erdvėje nuo atomų, kurie yra kitoje energijos būsenoje. Vienas svarbiausių kvantinės fizikos efektų – sukinio ir orbitos sąveika – aprašo sąryšį tarp dalelių vidinių ir išorinių savybių. Atomuose ši sąveika apibrėžia ryšį, kuris pasireiškia atomų viduje. Elektronui sukantis apie atomo branduolį, jo sukimasis veikia elektrono vidinį magnetinį momentą – sukinį. Puslaidininkinėse medžiagose, tokiose kaip galio arsenidas, sukinio ir orbitos sąveika pasireiškia tarp elektrono sukinio ir jo tiesinio judėjimo medžiagoje.
„Dažniausiai sukinių ir orbitos sąveika yra blogas dalykas, – pasakė pagrindinis straipsnio autorius Jungtinio kvantinio instituto mokslininkas Janas Spilmanas (Ian Spielman). – Mokslininkai kuria spintroninius įrenginius galio arsenido medžiagose, ir jei sukuriama norima sukinio orientacija, tai blogiausias dalykas, kuris gali įvykti, yra sukinio orientacijos pasikeitimas elektronui judant.“
Dideliais kauburiais pavaizduoti ultrašaltieji rubidžio atomai, kurie gali užimti vieną iš dviejų energijos lygmenų. Lazerio spinduliuotė sujungia šiuos lygmenis. Pradžioje atomai skirtingose būsenose (raudona ir mėlyna spalvos) būna toje pačioje erdvės būsenoje. Esant stipresniam lazerio spinduliuotės intensyvumui, atomai su skirtingomis būsenomis atsiskiria erdvėje.
„Fundamentinės fizikos požiūriu, sukinio ir orbitos ryšys yra labai įdomus dalykas, – pasakė jis. – Tai yra priežastis, kuri leidžia kurti naujas medžiagas, vadinamas topologiniais izoliatoriais.“
Viena iš karščiausių fizikos tyrimų sričių dabar yra topologinių izoliatorių tyrimai. Topologiniuose izoliatoriuose viską lemia elektronų padėtis medžiagoje. Elektronų judėjimas priklauso nuo to, kurioje vietoje jie yra. Didelė dalis sričių šiose medžiagose yra nelaidžios elektros srovei. Tačiau plokščiuose dviejų matmenų topologiniuose izoliatoriuose srovė su tam tikra sukinio orientacija gali tekėti laisvai medžiagos kraštu viena kryptimi. Su kitu sukiniu srovė tekės kita kryptimi. Elektros krūvis tokiu atveju nėra pernešamas. Trijų matmenų topologiniuose izoliatoriuose elektronų laisvas judėjimas vyks paviršiuje, o vidiniuose medžiagos sluoksniuose jis bus negalimas. Kai mokslininkai kuria vis geresnes ir aukštesnės kokybės topologinių izoliatorių medžiagas kietuosiuose kūnuose, sukinio ir orbitos ryšys magnetinėse gaudyklėse esančiuose ultrašaltųjų dujų atomuose gali padėti realizuoti topologinius izoliatorius jų grynoje ir visiškai švarioje formoje, nes dujose nėra priemaišinių atomų bei kitų sudėtingų dalykų, būdingų kietiesiems kūnams.
Paprastai atomai nepasižymi tokios rūšies sukinio ir orbitos sąveika, kuri būdinga galio arsenido kristalams. Kiekvienam individualiam atomui yra būdinga sukinio ir orbitos sąveika, atsirandanti tarp jo vidinių komponentų (elektrono sukinio ir elektrono sukimosi aplink branduolį), tačiau atomo bendras judėjimas nėra veikiamas jo vidinės energijos būsenos.
Mokslininkai sugebėjo tai pakeisti. Savo eksperimente jie magnetinėje gaudyklėje pagavo rubidžio dujas, sudarytas iš dviejų šimtų tūkstančių atomų, ir jas atšaldė iki šimto nanokelvinų temperatūros, tai yra tris milijardus kartų žemiau kambario temperatūros. Mokslininkai iš visų galimų atomų energijos lygmenų atrinko du energijos lygmenis, kurie yra analogiški į viršų ir į apačią nukreiptiems elektrono sukiniams (sukininėms būsenoms). Rubidžio atomai gali užimti bet kurią iš šių „pseudosukinio“ būsenų. Po to atomai buvo apšviesti dviejų lazerių spinduliuote, kad pakeistų santykį tarp atomų energijų ir jų impulsų (masės ir greičio sandaugos), tai yra atomų judėjimo. Tai sukūrė sukinio ir orbitos sąveiką atomuose. Judantys atomai persijungdavo į vieną iš dviejų būsenų dažniu, kuris priklausė nuo atomų judėjimo greičio.
„Šis eksperimentas pademonstravo, kad idėja, panaudoti lazerio šviesą sukinio ir orbitos sąveikai generuoti, veikia. Visa tai ir buvo planuota stebėti, – pasakė Spilmenas. – Bet atsitiko kažkas dar neįprasto.“
Kai buvo padidintas lazerių spinduliuotės intensyvumas, atomai, esantys vienoje iš dviejų būsenų, pradėjo stumti atomus, esančius kitoje būsenoje. Atomai su skirtingomis būsenomis buvo atskirti erdvėje.
„Iš pagrindų savo eksperimente pakeitėme, kaip šie atomai sąveikauja tarpusavyje, – sakė Spilmenas. – Mes to negalėjome numatyti, bet mums paprasčiausiai pasisekė“.
Rubidžio atomai, kurie buvo naudoti vykdytame eksperimente, yra bozonai. Bozonai yra draugiškos dalelės, kurios vienu metu gali egzistuoti toje pačioje erdvės vietoje net jei jos ir pasižymi tokiomis pačiomis savybėmis, tame tarpe turi tą patį sukinį. Tačiau Spilmeno skaičiavimai rodo, kad mokslininkai galėtų sukurti ir tokį pat efektą ultrašaltose fermionų dujose. Fermionams būdingas antisocialus charakteris – jie negali būti toje pačioje erdvės vietoje jiems esant tose pačiose būsenose. Palyginus su kitais naujų sąveikų tarp fermionų generavimo metodais, sukinių būsenas būtų lengviau valdyti ir jos išliktų ilgiau gyvuojančios.
Fermi dujos, surištos sukinio ir orbitos sąveikos, galėtų sąveikauti pačios su savimi, nes lazerių spinduliuotė efektyviai atskirtų kiekvieną atomą pagal tai, kurioje būsenoje jie yra.
Du tokie atomai su skirtingais greičiais gali tarpusavyje sąveikauti ir sudaryti poras. Šios rūšies susigrupavimas, pasak Spilmano, atveria naujas galimybes nagrinėjant naujos rūšies superlaidumą, kuris vadinamas „p-bangos“ superlaidumu. Tokiu atveju du susiporavę atomai turi kvantmechaninę fazę, kuri priklauso nuo jų tarpusavio padėties. Toks „p-bangos“ superlaidumas gali padėti sukurti naujos formos kvantinį skaičiavimą, žinomą topologinio kvantinio skaičiavimo pavadinimu.
