Badacze z Atominstitutu na Politechnice Wiedeńskiej donoszą o stworzeniu szczególnego układu atomowego, gdzie niezliczone zderzenia między cząstkami nie prowadzą do rozpraszania energii. To odkrycie, opisane w czasopiśmie Science pod koniec listopada 2025 roku, otwiera fascynujące, choć na razie bardzo teoretyczne, pole do dyskusji o przyszłości transportu kwantowego.
Jak stworzono jednowymiarowy gaz kwantowy
Kluczem do sukcesu było radykalne ograniczenie przestrzeni, w której mogą poruszać się atomy. Wiedeńscy fizycy wykorzystali zaawansowane pola magnetyczne i optyczne, by stworzyć coś na kształt ultracienkiego, atomowego przewodu. Tysiące atomów rubidu schłodzono do temperatur bliskich zeru absolutnemu i zmuszono do poruszania się wyłącznie wzdłuż jednej, precyzyjnie zdefiniowanej linii.
Czytaj także: Gaz kwantowy zachowuje się wbrew prawom fizyki. Naukowcy nie mogą w to uwierzyć
Ta pozornie prosta zmiana ma fundamentalne konsekwencje. W normalnym, trójwymiarowym świecie atomy odbijają się od siebie we wszystkich możliwych kierunkach, co nieuchronnie prowadzi do strat energii. W stworzonej jednowymiarowej pułapce atomy mogą zderzać się wyłącznie „czołowo”, co całkowicie zmienia dynamikę tych oddziaływań i sposób przekazywania pędu.
Koniec z oporem
W klasycznym ujęciu, każde zderzenie wiąże się z pewną stratą, co manifestuje się jako opór. To dlatego przewody grzeją się, a poruszające się ciała w końcu stają. W eksperymencie z Wiednia zaobserwowano coś przeciwnego – stały przepływ mimo ogromnej liczby kolizji między atomami.
Zjawisko to nosi nazwę transportu balistycznego. Można je porównać do pocisku wystrzelonego z lufy, który pokonuje dwukrotnie większą odległość w dwukrotnie krótszym czasie. To zupełnie inne zachowanie niż w przypadku dyfuzji, typowej dla zwykłej materii, gdzie na pokonanie dwukrotnie dłuższej drogi potrzeba czterokrotnie więcej czasu. Naukowcy zmierzyli parametr zwany wagą Drudego, który w badanym układzie wskazywał na niemal całkowity zanik dyfuzji, co upodabniało gaz kwantowy do idealnego przewodnika.
Kwantowa wersja kołyski Newtona
Działanie tego systemu przywodzi na myśl popularną zabawkę biurkową, czyli kołyskę Newtona. Kulki w tym urządzeniu przekazują sobie pęd przez bezpośrednie, sprężyste zderzenia, nie tracąc przy tym energii. Podobny mechanizm działa w jednowymiarowym gazie kwantowym. Ponieważ atomy mogą zderzać się tylko w jednym kierunku, po kolizji po prostu wymieniają się pędami. Pęd jest zachowany i przekazywany dalej, nigdy nie ginie, co teoretycznie mogłoby podtrzymywać ruch w nieskończoność.
To wyjaśnia, dlaczego chmura atomowa nie termalizuje się, czyli nie dąży do stanu równowagi termicznej, jak nakazują klasyczne prawa termodynamiki. Co istotne, efekt ten utrzymuje się nawet w skończonej temperaturze i przy obecności oddziaływań między atomami, co sugeruje, że mamy do czynienia z realnym zjawiskiem fizycznym, a nie tylko laboratoryjnym artefaktem.
Co to oznacza dla fizyki materiałów
Odkrycie, choć niezwykle eleganckie i ważne dla fundamentalnej nauki, należy oceniać z pewnym dystansem. Właściwości transportowe leżą u podstaw klasyfikacji materiałów na izolatory, metale czy nadprzewodniki. Dlatego każdy nowy model pozwalający badać transport energii w idealnie kontrolowanych warunkach jest na wagę złota.
Metoda opracowana przez zespół z TU Wien stanowi solidną strukturę programistyczną do opisu transportu w silnie skorelowanej materii kwantowej, szczególnie w reżimach, gdzie obecna teoria zawodzi. Może to pomóc w lepszym zrozumieniu zjawisk prowadzących do powstawia oporu lub jego zaniku. Marzenie o nadprzewodniku działającym w temperaturze pokojowej wciąż jest odległe, ale każde nowe okno na świat kwantowy przybliża nas do pełniejszego obrazu.
Czytaj także: Gaz kwantowy złamał wszelkie zasady. Naukowcy nie mogli w to uwierzyć
Podsumowując, jednowymiarowy gaz kwantowy stał się nie tylko ciekawostką demonstrującą piękno fizyki, ale także potężnym narzędziem badawczym. Pokazuje, jak radykalne ograniczenie swobody ruchu może prowadzić do zupełnie nowych, nieintuicyjnych zachowań materii. Praca wiedeńskich naukowców to krok w stronę głębszego zrozumienia kwantowego świata, ale od tego zrozumienia do praktycznych, rewolucyjnych zastosowań w elektronice czy energetyce wiedzie jeszcze długa, trudna droga.