Fizičari su nam upravo darovali „kvantnu spinsku tečnost“, uvrnuto novo stanje materije

Foto: Darya Komarova / Alamy / Alamy / Profimedia

Čvrsta materija je sačinjena od atoma koji su, više ili manje, zaključani u neku uređenu strukturu. Tečna materija, s druge strane, sačinjena je od atoma koji mogu slobodno da se kreću unaokolo i prolaze jedan pored drugog. Međutim, zamislite atome koji ostaju nezamrznuti, poput onih u tečnosti – ali su u konstantno promenljivom magnetnom neredu, piše Popular Science.

Ono što tada imate je nikad ranije viđeno stanje materije, stanje kvantne uvrnutosti zvano kvantna spinska tečnost. Pažljivo manipulišući atomima, istraživači su stvorili to stanje u laboratoriji. Svoj rad su objavili u žurnalu Science.

Preporučujemo

Naučnici su godinama raspravljali o teorijama spinskih tečnosti. „Međutim, zaista smo postali veoma zainteresovani za to kad su teoretičari, ovde na Harvardu, konačno otkrili način da zaista stvore kvantne spinske tečnosti“, kaže Đulija Semegini sa Harvardskog univerziteta, koordinator istraživačkog projekta i koautor dokumenta.

„U ekstremnim uslovima koji obično ne postoje na Zemlji, pravila kvantne mehanike mogu izvrnuti atome u sve vrste neobičnog. Uzmimo, na primer, degenerisanu materiju, prisutnu u središtima mrtvih zvezda kao što su beli patuljci ili neutronske zvezde, gde ekstreman pritisak pretvara atome u kašu subatomskih čestica. Ili, kao drugi primer, Boze-Ajnštajnov kondenzat, u kojem se više atoma na veoma niskim temperaturama nekako spaja zajedno da deluju kao jedan (ta kreacija je osvojila Nobelovu nagradu za fiziku 2001).

Kvantna spinska tečnost je najnovija stavka na spisku spornih stanja. Njeni atomi se ne zamrzavaju ni u jednu vrstu uređenog stanja, i stalno se menjaju.

„Spin“ u nazivu odnosi se na osobinu inherentnu svakoj čestici – bilo gore bilo dole – koja izaziva magnetna polja. U običnom magnetu, svi spinovi okrenuti su gore ili dole u pažljivom poretku. U kvantnoj spinskoj tečnosti, s druge strane, postoji i treći spin. To sprečava formiranje koherentnih magnetnih polja.

Ovo, u kombinaciji sa ezoteričnim pravilima kvantne mehanike, znači da su spinovi konstantno u različitim pozicijama u isto vreme. Ako pogledate samo nekoliko čestica, teško je reći da li imate kvantnu tečnost ili, ako imate, koje osobine ona ima.

O kvantnim spinskim tečnostima prvi je teoretisao fizičar Filip Anderson 1973, i fizičari otad pokušavaju da savladaju ovu materiju. „Brojni različiti eksperimenti...pokušali su da stvore i posmatraju ovu vrstu stanja. Međutim, pokazalo se da je to zaista veliki izazov“, kaže Mihail Lukin, fizičar na Harvardskom univerzitetu i koautor dokumenta.

Istraživači na Harvardu su imali novi instrument u svom arsenalu – nazivaju ga „programabilnim kvantumskim simulatorom“. U suštini, to je mašina koja im omogućava da se igraju sa individualnim atomima. Koristeći posebno fokusirane laserske zrake, istraživači mogu da premeštaju atome unaokolo po dvodimenzionalnoj mreži kao magnete po tabli.

„Možemo da kontrolišemo poziciju svakog atoma pojedinačno“, kaže Semegini. „Možemo da ih pozicioniramo pojedinačno u kom god obliku želimo“.

Štaviše, da zaista utvrde da li su uspešno stvorili kvantnu spinsku tečnost, istraživači su upotrebili takozvano kvantno sprezanje. Dali su energiju atomima, koji su počeli uzajamno da deluju: promene u svojstvu jednog atoma odrazile bi se na druge. Posmatrajući te konekcije, naučnici su pronašli potvrdu koju su tražili.

Sve ovo može izgledati kao stvaranje apstraktne materije radi apstraktne materije – ali to je deo privlačnosti. „Možemo na izvesni način da je dodirnemo, ubodemo, igramo se s njom, čak i da govorimo ovom stanju, manipulišemo njime i učinimo da uradi šta hoćemo“, kaže Lukin. „To je ono što je zaista uzbudljivo“.

Međutim, naučnici smatraju da kvantne spinske tečnosti takođe imaju vredne primene. Samo uđite u svet kvantnih kompjutera.

Kvantni kompjuteri imaju potencijal da uveliko nadmaše svoje tradicionalne kolege. U poređenju sa današnjinm kompjuterima, kvantni kompjuteri bi mogli kreirati bolje simulacije sistema kao što su molekuli i mnogo brže obaviti izvesne kalkulacije.

Međutim, ono što naučnici koriste kao gradivne blokove kvantnih kompjutera moglo bi imati nedostatke. Ti blokovi, zvani kubiti, često su stvari kao pojedinačne čestice ili atomska jezgra – osetljivi na najmanje fluktuacije buke ili temperature. Kvantne spinske tečnosti, sa informacijama pohranjenim u načinu njihove raspoređenosti, mogle bi biti manje zahtevni kubiti.

Ako bi istraživači mogli da demonstriraju da kvantna spinska tečnost može biti upotrebljena kao kubit, kaže Semegini, to bi moglo dovesti do potpuno nove vrste kvantnog kompjutera.

(Telegraf Nauka/Popular Science)