Foto: AI/ScienceDaily.com

Fyzici vytvořili kvantový vodič

Vědci z Technické univerzity ve Vídni objevili kvantový systém, ve kterém energie a hmota proudí s dokonalou účinností. V ultrachladném plynu atomů omezených na jedinou linii dochází k nespočetným srážkám, ale nic se nezpomaluje. Místo toho, aby se pohyb šířil jako teplo v kovu, cestuje čistě a neoslabeně, podobně jako Newtonova kolébka. Tento objev odhaluje pozoruhodnou formu transportu, která porušuje obvyklá pravidla odporu.

Autor původního článku: redakce

Ultrachladný plyn s dokonalým tokem

Tým omezil tisíce atomů rubidia tak, aby se mohly pohybovat pouze podél jedné přímé linie, pomocí kombinace magnetických a optických polí. Tento setup vytvořil ultrachladný kvantový plyn, ve kterém se energie i hmota pohybují s úplnou účinností. Podle výsledků publikovaných v časopise Science zůstává tok stálý a nezměněný i po nespočetných atomových srážkách. Tento objev odhaluje formu transportu, která se chová velmi odlišně od toho, co je vidět v běžné hmotě.

Dva základní typy transportu

„V zásadě existují dva velmi odlišné typy transportních jevů,“ říká Frederik Møller z Atominstitutu na TU Wien. „Mluvíme o balistickém transportu, když se částice pohybují volně a pokrývají dvakrát větší vzdálenost za dvakrát delší čas – jako kulka letící v přímé linii.“ Druhý typ je známý jako difuzní transport, který nastává, když je pohyb dominován náhodnými srážkami. Tepelná vodivost je klasickým příkladem. Když teplejší částice interagují s chladnějšími, energie a hybnost se postupně sdílejí, dokud se teploty nevyrovnají v celém systému.

Proč se difuze v tomto experimentu rozpadá

Chování pozorované v experimentu TU Wien neodpovídalo žádnému známému vzoru. Místo toho, aby se atomový tok šířil difuzí, zůstal ostře definovaný. „Studováním atomového proudu jsme mohli vidět, že difuze je prakticky zcela potlačena,“ říká Møller. „Plyn se chová jako dokonalý vodič; i když dochází k nespočetným srážkám mezi atomy, množství jako hmota a energie proudí volně, aniž by se rozptylovaly do systému.“

Kvantová verze Newtonovy kolébky

Výzkumníci vysvětlují tento efekt pomocí analogie k Newtonově kolébce, stolnímu zařízení s řadou zavěšených kovových koulí. Když je jedna koule uvolněna, její hybnost prochází přímo řadou a vysílá kouli na vzdáleném konci, zatímco ostatní se sotva pohybují. „Atomové srážky v našem systému mohou probíhat pouze jedním směrem,“ vysvětluje Møller. „Jejich hybnosti nejsou rozptýleny, ale jednoduše vyměňovány mezi kolizními partnery. Hybnost každého atomu zůstává zachována – může být pouze předána, nikdy ztracena.“

Proč plyn nikdy nedosáhne tepelné rovnováhy

Stejně jako v Newtonově kolébce, pohyb v tomto atomovém systému pokračuje bez vyblednutí. Energie a hybnost procházejí plynem neomezeně místo toho, aby se rozptylovaly jako teplo, což se děje ve většině materiálů. „Tyto výsledky ukazují, proč takový atomový oblak netermalizuje – proč nerozděluje svou energii podle obvyklých zákonů termodynamiky,“ říká Møller. „Studium transportu za tak dokonale kontrolovaných podmínek by mohlo otevřít nové způsoby, jak pochopit, jak odpor vzniká nebo mizí na kvantové úrovni.“