Νέες ιδιότητες των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein

Από το περιοδικό Nature και το Scientific American 3 Ιανουαρίου 2002

Όταν το αέριο ατόμων Ρουβιδίου ψυχθεί σε θερμοκρασία 10-5Κ συμβαίνει κάτι παράξενο. Τα άτομα χάνουν την προσωπικότητά τους και συγχωνεύονται σε μία ενιαία κβαντική κατάσταση διαμορφώνοντας αυτό που είναι γνωστό ως συμπύκνωμα Βose-Einstein (ΒΕC). Σε αυτήν την συμπυκνωμένη κατάσταση τα άτομα ρέουν χωρίς τριβή, δίνοντας στο υπέρ-ψυχρο αέριο την ιδιότητα της υπερρευστότητας.

Οι επιστήμονες το γνωρίζουν αυτό από το 1995 όταν ο Eric A. Cornell του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας στις ΗΠΑ και οι συνάδελφοί του δημιούργησαν το πρώτο ΒΕC στο εργαστήριο -- ένα επίτευγμα που τους χάρισε το βραβείο Νόμπελ του 2001 στη φυσική.

Τώρα η νέα έρευνα έχει προχωρήσει εκείνη την εργασία ένα βήμα παρακάτω, που μας αποκαλύπτει μια εκπληκτική συμπεριφορά του BEC. Φαίνεται λοιπόν ότι υπό ορισμένους όρους, το συμπύκνωμα υποβάλλεται σε μια αντιστρέψιμη κβαντική μετάβαση φάσης, μεταπηδώντας από ένα υπερρευστό σε ένα διαμορφωμένο ρευστό. Πρόκειται δηλαδή για μια νέα μορφή της ύλης. Το εύρημα που δημοσιεύτηκε στο τεύχος του περιοδικού Nature της 3ης Ιανουαρίου θα μπορούσε να συνεισφέρει στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών.

Για να μεταπέσουν τα BEC ρουβιδίου σε κατάσταση διακοπτών, ο Markus Greiner και οι συνεργάτες του, του Πανεπιστημίου Ludwig-Maximilians του Μονάχου τοποθέτησαν το κβαντικό αέριο το οποίο είχαν αρχικά παγιδέψει με μια μαγνητική παγίδα, σ' ένα οπτικό πλέγμα - ένα τρισδιάστατο οπτικό σχηματισμό που δημιούργησαν με συμβολή ακτίνων laser.

Στην υπερρευστή φάση τα άτομα του ρουβιδίου κινούνταν ελεύθερα σ' αυτό το τοπίο ανάμεσα από κορυφές υψηλής ενέργειας και κοιλάδες χαμηλής ενέργειας, με αποτέλεσμα σε κάθε κοιλάδα να υπάρχει και διαφορετικός αριθμός ατόμων.

Αλλά όταν οι ερευνητές αύξησαν την ένταση των ακτίνων laser που προκαλούσαν τη συμβολή - υψώνοντας κι άλλο τις κορυφές υψηλής ενέργειας - τα άτομα έχαναν την ελευθερία τους και το καθένα παγιδευόταν σε μια μεμονωμένη κοιλάδα, σ' ένα συνολικό πλήθος 150.000 περίπου θέσεων, ενώ το υπερρευστό μετέβαινε σε μια κατάσταση όπου γινόταν μονωτής. Όταν ελάττωναν την ένταση των ακτίνων laser χαμήλωναν οι κορυφές ελευθερώνοντας τα άτομα και το αέριο επέστρεφε στην υπερρευστή φάση.

Σχηματισμοί συμβολής για αυξανόμενα βαθμιαία βάθη των δυναμικών στις πλεγματικές θέσεις (από αριστερά προς τα δεξιά) δείχνουν την απώλεια της συμφασικότητας καθώς το υπερρευστό παθαίνει μια κβαντική μεταβολή φάσης και γίνεται μονωτής Mott.

Από θεωρητική άποψη, αν και στη θερμοκρασία των 0⁰ Κ οι μετατροπές φάσεων είναι απαγορευμένες στα κλασσικά συστήματα, η αρχή απροσδιοριστίας του Heisenberg λέει ότι σε κβαντικά συστήματα, όπως στα BEC, οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι δυνατές και μπορεί να είναι αρκετά ισχυρές ώστε να προκαλέσουν μια μετατροπή φάσης, δηλαδή μια μακροσκοπική αλλαγή στο σύστημα.

Σύμφωνα με το μοντέλο Bose-Hubbard η υπερρευστή κατάσταση θα διατηρείται όσο οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων είναι αρκετά μικρές συγκρινόμενες με το φαινόμενο σήραγγας μεταξύ των διαφόρων θέσεων στις πλεγματικές θέσεις. Όταν όμως οι απωστικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων ισχυροποιηθούν, η ενέργεια της θεμελιώδους κβαντικής κατάστασης ελαχιστοποιείται με εντοπισμό των ατόμων σε διακριτές θέσεις. Τότε καθώς ο αριθμός των ατόμων ανά θέση του πλέγματος μένει σταθερός και συγχρόνως πρέπει να ικανοποιείται και η αρχή απροσδιοριστίας, αυξάνονται οι διακυμάνσεις στη φάση, και το σύστημα μεταβαίνει στην κατάσταση του μονωτή.

Σ' ένα σχόλιό του που συνοδεύει τη δημοσίευση ο Henk T. Stoof του πανεπιστημίου της Ουτρέχτης στην Ολλανδία σημειώνει ότι η ιδεώδης διάταξη των μεμονωμένων ατόμων που δημιουργείται στη φάση του μονωτή οδηγεί από μόνη της στον κβαντικό υπολογιστή. "Κάθε άτομο ρουβιδίου έχει μια μαγνητική ροπή και έτσι έχει δύο εσωτερικές καταστάσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως 0 ή 1 ενός κβαντικού bit" γράφει.

Λαμβάνοντας υπόψη το μεγάλο αριθμό ατόμων ρουβιδίου στο οπτικό δικτυωτό πλέγμα, λέει, θα μπορούσαν να παρέχουν τη μνήμη για έναν κβαντικό υπολογιστή. Επιπλέον, "εάν υπάρχουν δύο τέτοιες μνήμες που μπορούν να κινηθούν η μία σχετικά με την άλλη, μπορούμε ακόμη και να χρησιμοποιήσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων για να εκτελέσουμε έναν κβαντικό υπολογισμό," σχολιάζει ο ο Stoof. "Το πρώτο βήμα προς αυτόν τον συναρπαστικό στόχο έγινε τώρα."