Transport w codziennym świecie… i poza nim

Na co dzień spotykamy się z różnymi formami transportu: prądem płynącym w przewodach, ciepłem rozchodzącym się w metalu czy wodą w rurach. Zawsze jednak istnieje opór - tarcie, zderzenia cząstek i straty energii, które sprawiają, że przepływ stopniowo słabnie. W nowym eksperymencie fizycy stworzyli układ, w którym ten mechanizm po prostu znika.

Reklama

Jednowymiarowy „przewód” z atomów

Badacze ograniczyli tysiące atomów rubidu do ruchu wzdłuż jednej, ściśle określonej linii. Użyli do tego precyzyjnie kontrolowanych pól magnetycznych i optycznych, schładzając atomy do ekstremalnie niskich temperatur - bliskich zera absolutnego.

W takich warunkach powstał ultrazimny gaz kwantowy, który zachowuje się jak idealny przewodnik: masa i energia przemieszczają się w nim bez strat, nawet mimo ogromnej liczby zderzeń pomiędzy atomami. Wyniki eksperymentu zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Science.

Dwa światy transportu: balistyczny i dyfuzyjny

Reklama

Jak tłumaczą naukowcy, w fizyce wyróżnia się dwa podstawowe typy transportu:

Transport balistyczny - cząstki poruszają się swobodnie, a droga rośnie proporcjonalnie do czasu (jak pocisk lecący po linii prostej).

Transport dyfuzyjny - typowy dla ciepła czy gazów; wynika z wielu losowych zderzeń, a pokonanie większej odległości zajmuje znacznie więcej czasu.

W nowym układzie dyfuzja została niemal całkowicie wyeliminowana. Gaz kwantowy zachowuje się tak, jakby opór w ogóle nie istniał.

Kwantowa kołyska Newtona

Aby zrozumieć to zjawisko, naukowcy sięgają po prostą analogię: kołyskę Newtona — biurkową zabawkę z metalowymi kulkami. Gdy jedna kulka uderza w pozostałe, pęd przechodzi przez cały rząd i „wyskakuje” po drugiej stronie.

W jednowymiarowym gazie kwantowym dzieje się coś bardzo podobnego. Atomy mogą zderzać się tylko w jednym kierunku, a ich pęd nie rozprasza się, nie zanika i jest jedynie przekazywany dalej. Efekt? Ruch trwa bez tłumienia, a energia może przemieszczać się w nieskończoność.

Dlaczego gaz nie chce się „uspokoić”?

Jednym z najbardziej zaskakujących wniosków jest to, że taki układ nie ulega termalizacji. Innymi słowy, energia nie rozkłada się równomiernie, jak przewidują klasyczne prawa termodynamiki. To wyjątkowa okazja dla fizyków: badając system, który nie „chce” się uspokoić, mogą oni lepiej zrozumieć skąd bierze się opór, kiedy i dlaczego zanika i jak zachowują się materia i energia na poziomie kwantowym.

Choć eksperyment ma charakter fundamentalny, jego znaczenie może sięgać znacznie dalej. Zrozumienie idealnego transportu kwantowego może w przyszłości wpłynąć m.in. na rozwój nowych materiałów, technologie kwantowe i bardziej wydajne systemy przesyłu energii. Jak pokazuje ten eksperyment, świat kwantowy wciąż potrafi zaskakiwać - i czasem całkowicie ignoruje reguły, które w codziennym życiu wydają się niepodważalne.

Źródło: Vienna Center for Quantum Science and Technology