Zaczęli od stworzenia sztucznego pływaka zbudowanego ze światła kwantowego. Taki obiekt potrafił poruszać się pod prąd w kwantowej rzece światła. Poza wielkim sukcesem “na papierze”, ten eksperyment powinien również przynieść pewne praktyczne zastosowania. Mówi się chociażby o opracowaniu nowych sposobów kontrolowania światła kwantowego w urządzeniach przyszłości.
Czytaj też: Fizyk sprawdził Manewr Picarda ze Star Treka. Okazała się jeszcze lepsza niż w serialu
Wróćmy jednak do podstaw. Poruszanie się pod prąd jest możliwe również w świecie klasycznym. Zwierzęta potrafią płynąć w górę rzeki, a łodzie mogą pokonywać nurt dzięki wykorzystaniu energii. Przedstawiciele Nankai University zastanawiali się jednak, czy możliwe jest stworzenie pasywnego obiektu, który poruszałby się pod prąd bez własnego napędu.
Yi Hu i jego współpracownicy postanowili sprawdzić to w układzie kwantowym. Wykorzystali światło, ponieważ fizycy opracowali już precyzyjne metody kontrolowania jego właściwości kwantowych. Stworzyli coś w rodzaju kwantowej rzeki. Skierowali wiązki laserowe do specjalnego kryształu poddanego działaniu napięcia elektrycznego. W takich warunkach fotony zaczęły ze sobą oddziaływać, tworząc układ przypominający płyn.
Drugim elementem eksperymentu był wspomniany pływak, również wykonany ze światła kwantowego. Naukowcy uformowali jego wiązkę w postaci pojedynczej, stabilnej fali. Następnie obserwowali, jak zachowuje się ona w kwantowym płynie. O tym, co wydarzyło się później, piszą w swojej publikacji zamieszczonej na łamach Physical Review A.
Jak się okazuje, do końcowego sukcesu doprowadziło pewne zjawisko. W normalnych warunkach trzecia zasada dynamiki Newtona zakłada, że jeśli jeden obiekt działa na drugi określoną siłą, drugi działa na pierwszy siłą o takiej samej wartości, acz przeciwnym kierunku. Przykładem jest grawitacja. Ziemia przyciąga człowieka w dół, ale człowiek jednocześnie przyciąga Ziemię w górę. W eksperymencie zachowanie było inne. Pływak doświadczał przyciągania ze strony kwantowej rzeki, podczas gdy sama rzeka oddziaływała na niego w sposób odpowiadający sile odpychającej. Oddziaływania nie były więc wzajemnie równoważne. W rezultacie na obiekt działała wypadkowa siła skierowana pod prąd.
Czytaj też: Kwantowy stan w żywych komórkach. Chińczycy dokonali przełomowej obserwacji
Najważniejszy wniosek? Zachowanie przypominające aktywny ruch nie musi wymagać cząsteczki lub obiektu wyposażonego we własne źródło energii. Podobne zjawiska obserwowano już wcześniej w innych kwantowych płynach światła. Ruch pod prąd był w takich układach uzyskiwany między innymi dzięki tworzeniu niewielkich wirów za poruszającym się obiektem. Ich powstawanie powodowało odrzut, który napędzał pływak. Nowy eksperyment wykorzystuje natomiast zupełnie inny mechanizm.
Oddziaływania, o których mówimy w tym przypadku, są już istotnym elementem badań nad tzw. materią aktywną. Dotyczy ona układów, w których obiekty zużywają energię, aby się poruszać. Przykładami mogą być skupiska bakterii, stada ptaków czy roje niewielkich robotów. Eksperyment chińskich naukowców pokazuje jednak, że podobne zasady można wykorzystać również w przypadku obiektu, który sam nie zużywa energii do przemieszczania się. W praktyce tworzy to możliwość połączenia koncepcji materii aktywnej z kwantowymi płynami i układami fotonicznymi, co z kolei powinno zaowocować powstaniem nowego rodzaju układów aktywnych działających na poziomie kwantowym.
Źródło: Physical Review A
