V kvantových kapkách – novém stavu hmoty známém teprve několik let („zkapalněný“ Bose-Einsteinův kondenzát) – lze podle rozborů polských fyziků pozorovat neobvyklé kvantové vlny – solitony s velmi zajímavými vlastnostmi.
Solitony
Solitony jsou samoudržující se vlny způsobené tzv nelineární efekty ve hmotě. Lze si je představit jako posunující se nárůst (nebo pokles) hustoty hmoty. Takové vlny se mohou šířit ve velmi odlišných médiích a je známo, že jsou stabilní. Jakmile je soliton vzrušen, cestuje beze změny tvaru na velké vzdálenosti (teoreticky – nekonečně dlouhé). I když na své cestě narazí na překážku – překoná ji a vlna putující dál vypadá stejně jako předtím.
Solitony lze poměrně snadno vybudit, pozorovat a popsat v úzkých a dlouhých prostorech – kanálech, trubicích, optických vláknech.
– Nejjednodušší experimentální uspořádání, ve kterém byly solitony pozorovány, byl pobřežní kanál s vodou. První experimenty před více než 100 lety zahrnovaly koně kráčející po břehu kanálu a vláčení nákladu po vodě. Za určitých podmínek může takto vzniknout jediná vlna – kopec na vodě. Nejenže se rovnoměrně pohybuje v kanále, ale stále ho můžete vidět, když vytéká z kanálu daleko do moře – říká Prof. Krzysztof Pawłowski z CFT PAN.
„Solitóny se mohou zdát velmi esoterické, ale jsou důležitým tématem v mnoha odvětvích fyziky a matematiky,“ popisuje prof. Pawlowski. Dodává, že solitony lze využít v telekomunikacích – stabilní vlny, které nemění tvar, mohou být užitečné při přenosu informací – např. v optických vláknech.
Pokles kondenzátu potřeb
Solitony lze získat v různých tělech. A nyní tým polských teoretiků poprvé ukázal, že je lze získat i v kvantových kapičkách – stavu hmoty, který je znám jen pár let.
Prof. Pawłowski připomíná, že kvantové kapky byly poprvé pozorovány náhodou – v roce 2016 v experimentu s Bose-Einsteinovým kondenzátem (ve skupině Tilman Pfau ve Stuttgartu).
Kondenzát v koncentrátu
Co je Bose-Einsteinův kondenzát? – Každá částice je vlna a částice zároveň. Atomy jsou také svou povahou podobné vlnám, ale jejich vlnové délky jsou ultrakrátké – v řádu velikosti atomů. Ukazuje se však, že pokud je teplota velmi nízká, vlnová povaha atomů se vyjasní – atom se stane více „rozmazaným“. Pokud je částic hodně a jsou to bosony, pak se jejich vlny sečtou a vytvoří jeden makroskopická vlna hmoty. Sdílejí jednu vlnovou funkci „Takže všechny částice. Ve standardním materiálu víme, kde který atom je. A v kondenzátu se atomy „rozsypou“ – vyplňují celý objem oblaku plynu“ – říká fyzik, spoluautor publikace.
Tento stav hmoty byl dosud pozorován v ultrachladných, velmi zředěných plynech, kde jsou částice odděleny od okolí elektromagnetickými pastmi.
– Kondenzát byl studován několik desetiletí a nečekalo se, že nás ještě něčím překvapí – říká vědec. Ukázalo se však, že za určitých podmínek lze kondenzát rozdělit na podlouhlé levitující kapky. Mají tvar trubiček o průměru řádově sto mikrometrů. „Vypadají víceméně jako kapky vody na stole: mají povrchové napětí a plochý vrch,“ popisuje vědec. Lze si tedy představit, že kvantové kapky jsou zkapalněný Bose-Einsteinův kondenzát.
O vlastnostech kvantových kapiček je zatím známo jen málo. Teoretici si ale ověřují, co zajímavého lze v souvislosti s nimi pozorovat.
Vlny v kapkách
Nyní tým z Polska poprvé ukázal, že solitony lze pozorovat v kvantových kapičkách. Jak se ukázalo, solitony v kvantových kapkách mohou být libovolně široké. To je zajímavý závěr, protože solitony v Bose-Einsteinově kondenzátu je těžké pozorovat naživo, protože jsou velmi úzké.
– Pokud ultrachladné plyny atomů mají magnetické vlastnosti, tak předpokládáme, že jsou tam atomy správně uspořádány – magnetické pole vytváří tenkou trubici, ve které jsou částice umístěny. V takové trubici se mohou solitoni pohybovat. Zabýváme se tmavými solitony, které jsou viditelné jako řídnutí hmoty uvnitř trubice, popisuje vědec.
Dosud měly solitony v kondenzátu šířku zlomku mikrometru, což je pod rozlišovací schopností optických mikroskopů. Nebylo by tedy možné je vyfotit ani natočit. To se může změnit, pokud se vezmou v úvahu kvantové kapky.
– V našem výzkumu ukazujeme, že šířku solitonů lze ovládat v kvantových kapičkách. Mohou být libovolně široké – říká výzkumník. Omezením je samozřejmě velikost kvantové kapky.
První autor článku Jakub Kopyciński, který dělá doktorát na CFT PAS, vzpomíná, jak se cítil po několika měsících pokusů vyřešit rovnici popisující chování ultrachladných atomů (tato rovnice byla pouze jedna čára). „Řekl jsem tehdy v rozhovoru: ‚Nemyslím si, že tento výsledek je nějak zvlášť zajímavý, ale rád bych se nechal překvapit. A když jsem pak konečně udělal graf ukazující šířku solitonu, oči se mi rozšířily úžasem. Nervózně jsem se vrhl na kontrolu výpočtů, ale každý následující přístup skončil stejným závěrem – šířku těchto solitonů lze měnit v neomezeném rozsahu – říká Jakub Kopyciński.
– Toto je teoretický výsledek, který čeká na experimentální potvrzení. Doufám však, že se brzy najdou skupiny, které budou vytvářet solitony v kvantových kapičkách a měřit je – říká Prof. Pawlowski.
Profesor na otázku, zda se taková neobvyklá vlna houpe uvnitř kapky nebo skáče na jiné blízké kapky, říká, že když soliton prochází kapkou, nemění tvar a měl by být pozorován v dalších kapkách podél dráhy této vlny.
Jakub Kopyciński poznamenává, že zkoumání této oblasti znalostí je docela výzva, ale také velmi motivující. – Jedná se o velmi rychle se rozvíjející odvětví našeho oboru a každá nová částečka poznání zlepšuje naše chápání světa a může být zajímavým výchozím bodem pro další objevy. Objevy, které – doufám – jednou najdou každodenní uplatnění – shrnuje doktorand.