Naukowcy z Niemiec informują o zaobserwowaniu po raz pierwszy kryształów Pauliego – struktur atomów o niezwykłym geometrycznym ułożeniu. Istnienie tych kryształów przewidzieli kilka lat temu w swoich pracach teoretycznych polscy fizycy.

Kilka lat temu fizycy z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie w teoretycznych badaniach opracowali koncepcję tzw. kryształów Pauliego. „Kryształ Pauliego to układ kilku, kilkunastu, kilkudziesięciu atomów, tzw. atomów fermionowych. Mimo, że między tymi atomami nie działają żadne siły, to jeśli umieści się je obok siebie – tworzą one wspólnie regularny układ geometryczny” – definiuje w rozmowie z PAP jeden z członków zespołu, prof. Jan Mostowski z Instytutu Fizyki PAN.

Polscy badacze wyznaczyli geometryczne formy tych obiektów dla różnej liczby atomów, a także wskazali na różne trudności, jakie należy pokonać, aby wytworzyć i zaobserwować takie obiekty w ramach doświadczeń. Teraz zaś te kryształy Pauliego udało się po raz pierwszy zaobserwować w ramach eksperymentu. Procedurę taką – inspirując się rezultatami naukowców z IF PAN – przeprowadziła grupa profesora Selima Jochima z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech. Na razie jest dostępny niezrecenzowany preprint publikacji.

Zaobserwowane przez Niemców geometryczne struktury – utworzone przez atomy schłodzone do temperatury jednej milionowej kelwina powyżej zera absolutnego – są dokładnie takie same, jak te przewidziane przez naukowców z IF PAN.

„W kryształach – np. soli, cukru czy diamentu – atomy, cząsteczki ustawiają się w regularną sieć. Dzieje się tak jednak, bo działają między nimi siły przyciągania, tworzą się wiązania chemiczne. A w kryształach Pauliego między atomami nie działają żadne siły. Atomy się nie przyciągają i nie odpychają, a mimo to ustawiają się w regularne kształty” – mówi fizyk.

Aby wyeliminować powstawanie sił między atomami, potrzebne są skomplikowane zabiegi. Atomy umieszcza się w temperaturze ekstremalnie zbliżonej do zera absolutnego (milionowa część kelwina), w odpowiednim polu magnetycznym. Aby przekonać się, jak takie atomy odarte z oddziaływań między sobą będą się przy sobie zachowywać, odpowiednio się je pułapkuje.

Przewidywane teoretyczne obrazy odpowiadające rezultatom pomiarów kryształów Pauliego dla kolejno 3, 6 i 15 atomów. Fot. na podstawie materiałów z IF PAN.

Przewidywane teoretyczne obrazy odpowiadające rezultatom pomiarów kryształów Pauliego dla kolejno 3, 6 i 15 atomów. Fot. na podstawie materiałów z IF PAN.

Okazuje się, że nawet pozbawione oddziaływań atomy ustawiają się wobec siebie w bardzo regularne struktury. „Chociaż więc wiemy, że tych oddziaływań między naszym atomami nie ma, to wygląda, jakby były” – zwraca uwagę na ten paradoks prof. Mostowski. Tłumaczy, że atomy nie mogą się do siebie zbliżyć przez zasadę Pauliego. To ta sama zasada, która powoduje, że każdy kolejny elektron wokół jądra atomu musi ulokować się w innym, nie zajętym jeszcze przez inne elektrony stanie. „Powłoki elektronowe to też jest regularna struktura. W kryształach Pauliego jest ten sam efekt, tylko w innym kontekście. Dotyczy nie elektronów, tylko całych atomów, obiektów wiele tysięcy razy cięższych” – porównuje prof. Mostowski.

Eksperyment wykonano na atomach jednego z izotopów litu (Li6). Kryształy Pauliego mogą jednak być tworzone – co wynika z teorii – przez niektóre atomy.

Prof. Mostowski precyzuje, że muszą to być atomy fermionowe – w których suma neutronów, protonów i elektronów jest nieparzysta. Dopytywany, co z pozostałymi atomami (bozonowymi), mówi, że one nie tworzą kryształów Pauliego, mają inne właściwości – w niskich temperaturach tworzą tzw. kondensaty Bosego-Einsteina.

Jak powstały obrazy kryształów Pauliego? Procedura rozpoczyna się od otwarcia pułapki pozwalająca na ekspansję kryształu bez zmiany jego kształtu. Następnie należy wszystkie atomy jednocześnie sfotografować. Ponieważ z jednego zdjęcia nie da się odczytać geometrii kryształu Pauliego, procedurę należy powtórzyć dziesiątki tysięcy razy, a otrzymane zdjęcia nałożyć jedno na drugie po uprzednim, właściwym wzajemnym dopasowaniu. Na każdym zdjęciu kryształy mogą być bowiem względem siebie przesunięte, obrócone i zniekształcone. Dopiero po takiej statystycznej analizie można zobaczyć kryształ Pauliego.

„To kolejna nieintuicyjna manifestacja tego, że nawet między nieoddziałującymi obiektami kwantowymi istnieją korelacje, które nie mają swoich odpowiedników w świcie klasycznym. Głębsze zrozumienie tych kwantowych korelacji leży u podstaw współczesnych technologii kwantowych, które w przyszłości niewątpliwie doprowadzą do wielkiego skoku technologicznego” – podsumowuje w swoim komunikacie IF PAN.

W skład zespołu z IF PAN, który wpadł na trop kryształów Pauliego weszli oprócz prof. Mostowskiego: prof. Mariusz Gajda, prof. Tomasz Sowiński i prof. Magdalena Załuska-Kotur.

 

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl