«Αν νομίζεις ότι καταλαβαίνεις την κβαντική φυσική, τότε μάλλον δεν την καταλαβαίνεις», έλεγε ο βραβευμένος με Νόμπελ Richard Feynman, συνοψίζοντας με ακρίβεια την παράδοξη και βαθιά πολύπλοκη φύση της κβαντικής μηχανικής, δηλαδή τους νόμους που διέπουν τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων.
Σε αντίθεση με τους νόμους της Φυσικής που γνωρίζουμε από την καθημερινότητά μας, στον μακροσκοπικό κόσμο, οι κβαντικοί κανόνες είναι συχνά εντελώς διαφορετικοί και ενίοτε παράδοξοι. Εδώ και δεκαετίες, οι Φυσικοί πασχίζουν να αποκρυπτογραφήσουν τα γνωστά φαινόμενα, αλλά και να εντοπίσουν άγνωστες κβαντικές συμπεριφορές. Ένα από τα πιο αινιγματικά και επίμονα ζητήματα ήταν η επιβεβαίωση ενός θεωρητικού φαινομένου που προβλέφθηκε πριν από μισό αιώνα: η υπέρλαμπρη φασική μετάβαση (superradiant phase transition).
Το φαινόμενο αυτό προβλέφθηκε το 1973 από τους Klaus Hepp και Elliott H. Lieb, όμως για δεκαετίες παρέμενε μια θεωρητική υπόθεση χωρίς πειραματική τεκμηρίωση. Όλα αυτά άλλαξαν στις 4 Απριλίου 2024, όταν ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Rice στις ΗΠΑ, το Πανεπιστήμιο της Σαγκάης, το Εθνικό Εργαστήριο Ames της NASA και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, δημοσίευσαν στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου.
Τι είναι η υπέρλαμπρη φασική μετάβαση;
Η κατανόηση του φαινομένου δεν είναι απλή. Μπορεί, ωστόσο, να περιγραφεί ως μια ξαφνική αλλαγή στην κατάσταση ενός συστήματος σωματιδίων, η οποία οδηγεί σε συντονισμένη και συλλογική συμπεριφορά. Όταν το φαινόμενο δεν εμφανίζεται, τα άτομα συμπεριφέρονται αποδιοργανωμένα και αλληλεπιδρούν αδύναμα. Όταν, όμως, ενεργοποιείται, οι κινήσεις τους συγχρονίζονται και έτσι δημιουργείται μια νέα κατάσταση της ύλης με διαφορετικές και αξιοσημείωτες ιδιότητες.
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να προκαλέσει αυτή την μετάβαση χρησιμοποιώντας έναν κρύσταλλο από έρβιο, σίδηρο και οξυγόνο, ο οποίος ψύχθηκε σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία: −271,7°C, δηλαδή σχεδόν στο απόλυτο μηδέν. Παράλληλα, εφαρμόστηκε μαγνητικό πεδίο έντασης 7 Tesla, δηλαδή περισσότερο από 100.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ο στόχος των ερευνητών ήταν να συνδέσουν τα spin των σωματιδίων, προκαλώντας τη μετάβαση, και τα κατάφεραν.
Το spin και η σημασία του
Το spin είναι μια εγγενής ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων, όπως και το ηλεκτρικό φορτίο. Αν και το όνομα υποδηλώνει «περιστροφή», στην κβαντική φυσική δεν πρόκειται για κυριολεκτική κίνηση στο χώρο, αλλά για μια καθαρά κβαντική ιδιότητα. Η πρώτη ένδειξη για την ύπαρξή του ήρθε το 1922 από το περίφημο πείραμα των Γερμανών φυσικών Walther Gerlach και Otto Stern.
Η περιγραφή του spin ως περιστροφή χρησιμοποιείται συνήθως για εκπαιδευτικούς λόγους, ώστε να γίνονται πιο κατανοητά τα φαινόμενα. Ωστόσο, η φύση του είναι πολύ βαθύτερη και δεν μπορεί να εξηγηθεί επαρκώς με αναλογίες από τον μακρόκοσμο.
Πρακτικές εφαρμογές: Αισθητήρες και κβαντικοί υπολογιστές
Η σπουδαιότητα της υπέρλαμπρης φασικής μετάβασης δεν περιορίζεται στην κατανόηση της ύλης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για την επόμενη γενιά κβαντικών τεχνολογιών.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το φαινόμενο αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί για την κατασκευή εξαιρετικά ευαίσθητων κβαντικών αισθητήρων, που θα ξεπερνούν σε ακρίβεια ό,τι διαθέτουμε σήμερα. Επιπλέον, θα μπορούσε να συνεισφέρει στην ανάπτυξη πιο σταθερών και αξιόπιστων qubits, των βασικών μονάδων πληροφορίας στους κβαντικούς υπολογιστές.
Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα είναι καθοριστική, καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο και αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις, κυρίως στην αξιοπιστία και στην ανθεκτικότητα των qubits. Μια πιο σταθερή κβαντική υποδομή θα μπορούσε να επιταχύνει σημαντικά την υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών.
Η πρώτη παρατήρηση της υπέρλαμπρης φασικής μετάβασης δεν αποτελεί απλώς θεωρητική επιτυχία, αλλά και τεχνολογικό άλμα. Επιβεβαιώνει προβλέψεις 50 ετών και ταυτόχρονα θέτει τις βάσεις για πιο αποδοτικές κβαντικές τεχνολογίες.
[via]
