Descoperirea științifică de senzație: cum comunică atomii

Descoperirea științifică de senzație: cum comunică atomii

O echipă de fizicieni din Olanda și Germania au reușit să marcheze descoperirea științifică în care este demonstrat modul în care atomii comunică. În prima constatare s-au putut observa rotirile atomice de-a lungul interacțiunii acestora.

În cadrul experimentului, cercetătorii au plasat mai mulți atomi de titan sub un microscop de scanar. Acești atomi erau într-o interacțiune constantă și liniștită între ei în ceea ce privește direcția lor de rotice. Într-un test, cercetătorii au reușit să înlăture o pereche de atomi, iar pe unul dintre aceștia l-au încărcat cu curent electric pentru a-și schimba sensul de rotire, observând reacția atomului ”partener”.

Atunci când doi atomi au rotiri independente, sunt considerați încâlciți cuantic. Această încărcătură înseamnă că felul în care se comportă un atom, areun impact direct asupra celuilalt. Potrivit teoriei, acest lucru ar trebui să rămână la fel chiar și atunci când sunt separați de distanțe mari. În cazul de față, atomii de titan erau la o distanță de puțin peste un nanometru.

Atomii erau astfel suficient de apropiați pentru ca cele două particule să interacționeze între ele, însă suficient de departe încât interacțiunea să poată fi detectată de instrumentele echipei de cercetare.

„Constatarea principală este că am putut observa cum se comportă rotirile atomice de-a lungul timpului ca urmare a interacțiunii lor reciproce”, a spus co-autorul Sander Otte, fizician cuantic la Institutul de Nanostiințe Kavli de la Universitatea de Tehnologie Delft Olanda.

Otte a explicat într-un e-mail că oamenii de știință au reușit anterior să măsoare puterea diferitelor rotiri atomice și influența acestei puteri asupra nivelului de energie al atomului. Acest experiment le-a permis să observe acea interacțiune în timp. O mare speranță a fizicii experimentale este că, într-o zi, cercetătorii vor putea simula interacțiunile cuantice după bunul plac, modificând un sistem cuantic după cum consideră potrivit și observând modul în care se desfășoară mecanica cuantică.

„Aceasta este o demonstrație foarte frumoasă a unui ”simulator cuantic ”foarte simplu. Prin controlul pozițiilor atomilor, putem construi teoretic o replică a unei rețele sau a oricărui sistem a cărui dinamică dorim să o studiem”, a spus Ella Lachman, fizician cuantic la UC Berkeley care nu a fost implicată în noul studiu.

Descoperirea științifică arată modul în care comunică atomii

În descoperirea științifică în care s-a arătat cum comunică atomii, echipa a ales să lucreze cu atomi de titan, deoarece au cele mai puține opțiuni posibile pentru rotirea lor: fie în sus, fie în jos. Atomii de titan au fost legați pe o suprafață de oxid de magneziu, ținându-i în poziție pentru a putea fi analizați. Lipiți pe acea suprafață, care a fost păstrată într-un vid aproape la doar 1 grad Kelvin, sau -457,87 grade Fahrenheit, atomii au putut fi selectați individual de către fizicieni sub vârful microscopului.

Fizicienii au putut apoi inversa rotirile atomului dintr-o pereche de atomi cu ajutorul unui impuls electric, determinând o reacție imediată a vecinului său. După cum a afirmat Otte, aceste reacții sunt previzibile prin legile mecanicii cuantice. Întregul proces a durat aproximativ 15 nanosecunde, sau 15 miliarde de secundă, iar cercetarea lor a fost publicată în Science.

Cu ajutorul mai multor mijloace de analiză din lumea cuantică, oamenii de știință sunt capabili să evoce interacțiunile dintre atomi modificând rotirea unuia, dar că intercomunicarea are loc atât de repede, încât mijloacele obișnuite de observare, precum tehnica de rezonanță a rotirii, nu o pot prelua.

Cercetătorii din domeniul cuanticii folosesc adesea impulsuri cu microunde pentru a determina atomii să schimbe stările sau să observe în alt mod mecanica cuantică, dar această abordare a impulsurilor electrice a oferit echipei capacitatea de a simți cele mai mici interacțiuni, echivalentul unui mesaj direct atom-la-atom.

”Metode precum tehnica de rezonanță a rotirii sunt „pur și simplu prea lente. Abia începi procedura de rotație înainte, că cealaltă deja începe să se rotească. În acest fel nu poți investiga niciodată ce se întâmplă la plasarea celor două rotiri în direcții opuse”, a declarat Lukas Veldman, fizician cuantic la Institutul de Nanostiințe Kavli de la Universitatea de Tehnologie Delft, într-un comunicat Delft.

Studiile sunt de o semnificativă complexitate

Adevărata magie a acestei cercetări nu a venit încă, după cum a afirmat Otte. În timp ce această detecție a cartografiat schimbarea rotirilor între doi atomi, situația devine mult mai complexă cu fiecare atom care este adăugat în ecuație. Pentru un joc de imaginație, te-ai putea gândi la un joc de telefon în care participanții pot transmite mesajul, în timp ce îl șoptesc înapoi așa cum a venit. Mesajele din direcții diferite ar începe să se intersecteze, lucru care ar schimba comunicarea.

„Ca întotdeauna, metodele de joacă sunt frumoase, dar odată ce le adăugăm complexitatea de care suntem cu adevărat interesați, întrebările măsurătorilor și interpretărilor acestora devin mai complicate. Pot face același experiment cu trei atomi în timp ce măsoară doar unul? Probabil da, dar interpretarea măsurătorii devine mai complicată. Ce zici de zece atomi? Douăzeci? Timpul și ingeniozitatea vor spune dacă aceasta este o demonstrație experimentală a unui model de jucărie sau ceva mai profund. Potențialul este acolo”, a spus Lachman.

Otte a subliniat, de asemenea, provocările minunate de a merge dincolo de un sistem simplu de doi atomi.

„Dacă am crește la 20 de rotiri, laptopul meu nu ar mai putea calcula ce se întâmplă. La 50 de rotiri, cele mai bune supercomputere din lume renunță și așa mai departe. Dacă vrem vreodată să înțelegem exact cum apare comportamentul complex al anumitor materiale, ar trebui să„ construim ”materiale de la zero și să vedem cum se desfășoară legile fizicii atunci când creștem de la 10 la 100 până la 1.000 de atomi ”, a spus Otte.

Superconductivitatea se referă la materiale care pot transmite electricitate cu rezistență zero, ceva posibil la momentul actual doar la temperaturi foarte reci. De aceea dezvoltarea unui supraconductor la temperatura camerei este un sfânt graal al fizicii, ar schimba complet lumea.

Citește și: