Badanie przeprowadzili naukowcy z OIST (Okinawa Institute of Science and Technology) we współpracy z badaczami z Norwegii i Chile. Ich celem było zbadanie zjawiska znanego jako efekt Aharonova-Bohma, jednego z najbardziej niezwykłych fenomenów współczesnej fizyki. W jego ramach cząstki mogą znajdować się pod wpływem pola magnetycznego nawet wtedy, gdy nigdy bezpośrednio przez nie nie przechodzą. W świecie kwantowym sama obecność pola może zmieniać właściwości falowe elektronów i wpływać na ich zachowanie.
Czytaj też: Czas popłynie wstecz? Badanie kwestionuje jedno z najbardziej fundamentalnych założeń fizyki
Od momentu teoretycznego przewidzenia tego zjawiska w 1959 roku jego eksperymentalne potwierdzenie stanowiło ogromne wyzwanie. Problem polegał na tym, że naukowcy mogli jedynie pośrednio obserwować skutki działania całego fenomenu, analizując subtelne zmiany w zachowaniu elektronów. Bezpośrednie zobaczenie tego procesu pozostawało praktycznie niemożliwe.
Zespół badawczy postanowił więc stworzyć makroskopowy odpowiednik. W specjalnie przygotowanym zbiorniku jego członkowie generowali fale Faradaya, czyli charakterystyczne fale stojące pojawiające się na powierzchni cieczy poddawanej regularnym drganiom. Zjawisko to od lat służy do badania analogii między klasyczną mechaniką płynów a światem kwantowym.
Najważniejszym elementem eksperymentu okazał się wir wytworzony w centralnej części zbiornika. Naukowcy zauważyli, że poruszające się wokół niego fale zachowują się w sposób przypominający elektrony podlegające efektowi Aharonova-Bohma. Jednak podczas obserwacji pojawiło się coś, czego badacze się nie spodziewali. Zamiast prostego odwzorowania znanego efektu kwantowego na powierzchni wody zaczęły formować się rozległe wzory falowe obejmujące cały układ.
Szczególnie zaskakujące okazały się tzw. wirujące struktury węzłowe. Były to charakterystyczne obszary, w których amplituda fal pozostawała minimalna, a jednocześnie całe układy obracały się wokół centrum eksperymentu. Co najciekawsze, kierunek ich ruchu był przeciwny do kierunku samego wiru znajdującego się w zbiorniku.
Czytaj też: Komputer kwantowy dostał dwa mózgi z atomów. Teraz czekam na liczby
Kto się zdziwił? Wy pewnie tak, ja na pewno. Ale dotyczyło to nawet największych ekspertów w tej dziedzinie! Dotychczas sądzili oni, że klasyczny odpowiednik efektu Aharonova-Bohma powinien jedynie odtwarzać znane przewidywania teorii kwantowej. Tymczasem eksperyment pokazał pojawienie się nowych, zbiorowych zachowań fal, których nie przewidywały wcześniejsze modele. Według badaczy świadczy to o tym, że analogowe układy oparte na falach wodnych mogą ujawniać dodatkowe aspekty dynamiki układów kwantowych.
W trakcie badań ich autorzy zaobserwowali również powstawanie wielokątnych struktur przypominających geometryczne figury. Podobne wzory były wcześniej opisywane w eksperymentach z falami Faradaya i wykazywały zaskakujące podobieństwo do kolektywnych wzbudzeń obserwowanych w kondensatach Bosego-Einsteina, czyli egzotycznych stanach materii występujących w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Źródło: Communications Physics
