Vznik kvantových tornád v oblaku atomů sodíku. Kredit: MIT.

Není tajemstvím, že tenhle vesmír ovládají dvě poměrně protikladné fyziky. Na makrosvět dohlíží obecná relativita a v mikrosvětě vládne přízračná kvantová fyzika. Fyzici amerického Massachusetts Institute of Technology (MIT) pozorovali okamžik, kdy se atomy „přepnou“ z klasické relativity do kvantového módu. A byla to pecka.

Martin Zwierlein. Kredit: MIT.

V kvantovém světě stínů jsou možné věci, na které bychom v realitě obecné relativity normálně ani nepomysleli. Částice mohou existovat na více místech nebo ve více stavech zároveň, mohou se prokousat nepřekonatelnými bariérami, nebo třeba sdílejí informaci na ohromnou vzdálenost.

K těmto a dalším podivným jevům dochází při interakcích nepatrných částic, ale, bohužel, klasická relativistická fyzika do toho zasahuje z makrosvěta a pro nás je obtížné tyto interakce podrobně studovat. Musíme hledat cesty, jak kvantové jevy „zesílit“, aby pro nás byly zřetelnější. Jednou z možností je atomy zmrazit na zlomek teploty nad absolutní nulou, čímž vznikne populární Bose-Einsteinův kondenzát. Ten vykazuje kvantové vlastnosti ve větším, lépe pozorovatelném měřítku.

Tým MIT Martina Zwierleina zkoumal Hallovu kapalinu, zvláštní formu hmoty, kterou tvoří oblaky elektronů polapené v magnetických polích. Tyto oblaky mezi sebou interagují zvláštními způsoby a vznikají při tom kvantové jevy. Badatelé nepoužili přímo elektrony, které by bylo obtížné pozorovat, nýbrž Bose-Einsteinův kondenzát z asi 1 milionu ultrazmražených atomů sodíku.

Jak říká Zwierlein, nechali BE kondenzát z atomů sodíku fungovat jako zmíněné oblaky elektronů, ale mohli jejich chování snadněji ovládat a pozorovat. Díky tomu mohli sledovat, co dělají jednotlivé atomy a jak na ně působí kvantová mechanika. Umístily takový oblak atomů do elektromagnetické pasti a nechali ho tam rotovat rychlostí asi 100 otáček za sekundu. Oblak se protáhl do tvaru nudle, byl tenčí a tenčí a pak se atomy sodíku „přepnuly“ do kvantového módu.

Logo. Kredit: MIT.

Nudle se nejprve začala kroutit jako nějaký had a pak se rozpadla na segmenty. Celý oblak stále rotoval a segmenty vzápětí vytvořily zvláštní krystalickou strukturu, kterou badatelé popsali jako strunu kvantových tornád. Toto chování bylo ovládáno interakcemi mezi atomy sodíku. Vědci jsou přesvědčeni, že by to mohlo mít zajímavé důsledky pro klasickou i kvantovou fyziku.

Podle Zwierleina je to jako když se se z „efektu motýlích křídel“ (mávání křídel motýlka může nakonec vytvořit hurikán na protější straně světa), stane „kvantové počasí“. Drobné kvantové nestability v Hallova kapalině nakonec vytvoří krystalickou strukturu z kvantových tornád. My teď díky průlomu Zwierleinova týmu můžeme pozorovat kvantové jevy, které se na tom podílejí.

Literatura

New Atlas 6. 1. 2022.

Nature 601: 58–62.