Фізики показали квантовий ефект, що дозволяє зробити матерію невидимою. Як це працює і що нам це дасть?

Вчені американського Массачусетського технологічного інституту (МТІ) та Об'єднаного інституту лабораторної астрофізики, а також новозеландського Університету Отаго використовували лазери, щоб стиснути та охолодити газоподібні літій, калій та стронцій до такої міри, що ті стали напівпрозорими, переставши відбивати та розсіювати частину світла, що падає на них. Фізики впевнені — згодом вони зможуть домогтися того, що газ стане цілком невидимим.

Про свою роботу команда дослідників розповіла у трьох статтях у журналі Science.

У нормальних умовах атоми дуже легко взаємодіють зі світлом, розсіюючи його на всі боки. Найпростіший приклад — синє небо, яке виглядає таким через розсіювання сонячного випромінювання. Однак помістіть атоми в ультрахолодні обставини — і на перший план вийде квантова фізика, за допомогою якої вчені можуть творити свою магію.

Ефект, якого досягли вчені, став першим реальним прикладом блокування Паулі — квантово-механічного процесу, передбаченого понад 30 років тому. У його основі лежить твердження, що ферміони — елементарні частки, з складаються атоми — що неспроможні приймати однаковий квантовий стан. Грубо кажучи, серед них немає близнюків. Однак досі нікому не вдалося підтвердити правильність цього ефекту.

У звичайних умовах можлива кількість всіх станів сильно перевищує кількість частинок, тому будь-які ефекти блокування Паулі непомітні. У атомів достатньо простору, а також доступних рівнів енергії, щоб вони могли бути різними. Завдяки цьому також можуть існувати і тверді речовини, а наші тіла не провалюються крізь Землю до її ядра.

Однак, якщо охолодити ферміони до абсолютного нуля і максимально наблизити один до одного, ситуація змінюється. Атоми втрачають майже всю свою енергію, заповнюючи всі найнижчі доступні стани та формуючи тип матерії, званий фермі-рідиною. Тут ферміони виявляються скутими один з одним, і не мають змоги змінити свій стан. І, що цікаво для вчених, вони втрачають можливість поглинати чи відбивати світло.

Вольфганг Кеттерле, професор фізики у Массачусетському технологічному інституті, пояснює це на прикладі концертної зали. Щоб розсіювати світло, атом поглинає енергію фотона, пересідаючи на сусіднє місце. Однак якщо всі сусідні крісла зайняті, атом не може поглинати енергію та розсіювати світло. Так він стає прозорим, пропускаючи фотони світла крізь себе, не розсіюючи їх. Так і працює блокування Паулі.

Складність завдання полягає в тому, що довести атомну хмару до такого стану дуже складно. Для цього потрібна не лише низька температура, а й надзвичайно висока щільність, щоб атоми не могли «пересідати» на сусіднє місце. Для цього фізики з МТІ за допомогою першого лазера охолодили атомну хмару до 20 мікрокельвінів ( -273.14998 °C), а за допомогою другого стиснули їх до густини в один квадрильйон частинок на кубічний сантиметр.

Третій лазер, який відкалібрували так, щоб той не впливав ні на температуру, ні на щільність газу, використовувався, щоб виміряти, скільки світла поглинає та відбиває газова хмара. Як і передбачали теоретичні розрахунки, нова речовина стала на 38% прозорішою, ніж атоми в звичайних умовах.

Вчені впевнені — блокування Паулі допоможе не лише створювати напівпрозорі чи невидимі матеріали. З її допомогою ми зможемо зробити справжній технологічний стрибок і наблизимося до вирішення однієї з найголовніших проблем квантових комп’ютерів, кубити яких розривають зв’язок між собою через квантову декогеренцію — взаємодію з довкіллям. Якщо кубити будуть захищені блокуванням Паулі, вони зможуть ігнорувати частинки довкілля, завдяки чому перестануть втрачати свої квантові властивості.