O nouă stare a materiei, prezisă de fizicieni. Particule care în mod normal nu „stau împreună” pot forma picături cuantice

Fizicienii au descris teoretic o nouă formă de materie cuantică în care două familii foarte diferite de particule pot forma împreună o „picătură” stabilă, capabilă să se mențină fără un recipient exterior. Descoperirea, prezentată de IFLScience, implică bosoni și fermioni, particule care respectă reguli cuantice diferite și care, în condiții obișnuite, nu ar fi candidații evidenți pentru construirea unei asemenea structuri.

Cercetarea a fost realizată de o echipă de la Monash University și publicată în Physical Review Letters. Deocamdată vorbim despre o predicție teoretică, nu despre o picătură observată efectiv în laborator. Cercetătorii susțin însă că tehnologia experimentală necesară există deja, astfel încât fenomenul ar putea fi verificat fără dezvoltarea unor metode complet noi.

Ce sunt bosonii și fermionii și de ce combinația este neobișnuită

La nivel fundamental, particulele pot fi împărțite în două mari categorii: bosoni și fermioni. Diferența esențială este modul în care acestea se comportă în lumea cuantică. Mai mulți bosoni pot ocupa aceeași stare cuantică, în timp ce fermionii sunt supuși principiului de excluziune al lui Pauli, care împiedică doi fermioni identici să ocupe simultan aceeași stare cuantică.

Această diferență produce comportamente radical diferite. La temperaturi extrem de scăzute, bosonii pot forma un condensat Bose-Einstein, o stare exotică a materiei în care numeroase particule se comportă colectiv aproape ca o singură entitate cuantică. Este unul dintre exemplele care arată cât de diferită poate deveni fizica cuantică față de lumea pe care o experimentăm în viața de zi cu zi.

Vezi și:

Șoferii care încalcă regulile, filmați din elicopter. Unde au rămas mai mulți români fără permis pentru depășiri

Interacțiunile dintre bosoni și fermioni pot fi însă relativ slabe, în special în anumite regimuri ultrareci. Tocmai de aceea, formarea unei picături stabile alcătuite din ambele tipuri de particule nu părea o posibilitate evidentă.

Noua analiză arată că, în condițiile potrivite, poate apărea un echilibru. Atracția dintre cele două componente încearcă să mențină materia împreună, în timp ce comportamentul fermionilor produce un efect care împiedică întregul sistem să se prăbușească. Rezultatul teoretic este o picătură cuantică auto-legată.

O picătură care se ține singură laolaltă

O analogie simplificată ar fi încercarea de a combina două lichide care nu se amestecă în mod normal, precum apa și uleiul, doar că aici regulile sunt dictate de mecanica cuantică. Cercetătorii au construit un nou model teoretic pentru a putea analiza situațiile în care interacțiunea dintre bosoni și fermioni devine mult mai puternică decât în scenariile studiate anterior.

Sam Foster, cercetător la School of Physics and Astronomy din cadrul Monash University și autor principal al lucrării, explică faptul că teoriile precedente puteau descrie în principal sisteme în care particulele interacționau relativ slab. Noul model permite explorarea regimului în care aceste interacțiuni devin puternice și încep să apară comportamente cuantice neobișnuite.

Teoria indică și existența unei tranziții de fază asociate formării picăturilor, într-un mod care poate fi comparat, foarte simplificat, cu trecerea unui material din stare lichidă în stare gazoasă. Diferența este că aici nu mai funcționează intuiția formată din experiența cu obiectele macroscopice.

Tocmai asemenea fenomene fac ca lumea cuantică să genereze rezultate care par uneori imposibile din perspectiva fizicii clasice. Un alt exemplu este teleportarea cuantică, unde nu este transportată materia propriu-zisă, ci informația referitoare la starea cuantică a unui sistem.

Ce ar putea însemna descoperirea pentru tehnologiile viitorului

Următorul pas important este verificarea experimentală. Echipa consideră că predicțiile pot fi testate folosind instalații existente pentru experimente cu gaze cuantice ultrareci, ceea ce înseamnă că fizicienii ar putea afla relativ direct dacă aceste picături Bose-Fermi există într-adevăr și dacă proprietățile lor corespund calculelor teoretice.

Observarea lor ar oferi cercetătorilor un nou sistem în care să studieze interacțiunile dintre particule și modul în care materia se organizează în condiții cuantice extreme. Scopul imediat este unul de cercetare fundamentală, nu construirea unui produs comercial.

Pe termen lung însă, înțelegerea mai bună a unor asemenea stări ale materiei poate contribui la dezvoltarea senzorilor extrem de preciși și a tehnologiilor cuantice. Domeniul avansează rapid, iar calculatoarele cuantice reprezintă doar una dintre direcțiile în care controlul tot mai precis al sistemelor cuantice ar putea avea aplicații importante.

Deocamdată, „picăturile cuantice” de bosoni și fermioni rămân o predicție teoretică. Dacă existența lor va fi confirmată în laborator, fizicienii ar avea însă la dispoziție o formă neobișnuită de materie pentru a testa fenomene care până acum puteau fi explorate în principal prin ecuații și simulări.

Windows 11 ar putea deveni cu 20% mai rapid pe PC-urile cu 8 GB RAM. Ce schimbă Microsoft