A szemünk előtt tárulnak fel egy rejtett világ titkai

Kvantum-fluktuációkat – a semmiből előtűnő, majd elenyésző részecskepárokat – tettek láthatóvá az izraeli Bar-Ilan Egyetem kutatói, ezzel megalapozva a kvantumtechnológia további fejlődését.

A kvantumtechnológia ma a fizikai és mérnöki tudományok egyik rohamosan fejlődő ága, amely a kvantummechanika rejtélyes tulajdonságait olyan gyakorlati alkalmazások szolgálatába állítja, mint a kvantumszámítógépek, a különféle érzékelők, az információfeldolgozás, a kommunikáció vagy az orvoslás.

A kvantumtulajdonságok kihasználása olyan technológiák eljövetelét ígéri, amilyenekről álmodni sem tudtunk korábban.

Nemcsak a számítógépek teljesítménye növekszik majd a sokszorosára, de az orvosi kezelések is kisebb beavatkozással és kevesebb kockázattal járnak majd, és akár a teleportálás is átkerülhet a tudományos fantasztikumból a valóság birodalmába.

Kvantum-fázisátmenetek

A kvantumtechnológia fejlődésének egyik központi eleme a kvantum-fázisátmenetnek nevezett jelenség. Klasszikus fázisátmenetekkel lépten-nyomon találkozunk mindennapi életünk során, a reggeli teánkhoz felforralt víztől kezdve az üdítőnkben megolvadó jégkockáig. A szilárd, folyékony és gáz halmazállapotok közti fázisátmenetek esetében a változás egyes vonatkozásait közvetlenül, puszta szemmel is meg tudjuk figyelni. Látjuk, ahogy az egyik fázis buborékjai megjelennek a másikban – például a gőzbuborékok a forrásba jövő vízben, vagy a vízcseppek az olvadó jégkásában. E klasszikus, mindannyiunk számára ismerős fázisátmeneteknek közös jellemzője az, hogy hajtóerejük a hőmérséklet változása. A jég nulla fokon olvadni kezd, a víz pedig száz fokon gőzzé válik. Izgalmas lenne, ha a teánkhoz nem vízforralóval, hanem egy mágnes segítségével forralhatnánk a vizet, de a mi makroszkopikus világunkban ez nem lehetséges –

a kvantumvilágban viszont igen.

A tudományos közvélemény élénk érdeklődést tanúsít az utóbbi időben a fázisátmenetek számunkra nem megszokott formái, a kvantum-fázisátmenetek iránt, amelyek az abszolút nulla fok, vagyis -273°C környékén játszódnak le. Ezeket a fázisátmeneteket nem a hőmérséklet, hanem valamilyen másik fizikai tulajdonság – például mechanikai nyomás vagy mágneses térerősség – változása vezérli.

A klasszikus fázisátmenetekhez hasonlóan a kvantumátmenetek is úgy jelennek meg, mint az egyik fázis buborékai a másikban, csak ezeknek a buborékoknak van egy tudományos neve is: kvantumfluktuáció.

Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

S míg a klasszikus esetben a buborékok a hőmérséklet változása hatására jelennek meg, a kvantumos esetben a kvantumfizika egyik alapvető törvényének, a határozatlansági elvnek köszönhetik létüket.

A Werner Heisenberg német fizikus által megfogalmazott elv szerint – az intuíciónkkal ellentétes módon –

valójában a tökéletes vákuum sem üres, hanem bármely kicsiny térfogatában időlegesen megváltozhat az ott tartalmazott energia mennyisége.

Ezek az energiamennyiség-fluktuációk még abszolút nulla fokon is jelentkeznek, és úgy képzelhetők el, mint az egyik fázis másikba zárt buboréka.

Először sikerült látni a kvantumfluktuációkat

Azonban ezekről a kvantumfluktuációkról mindmáig lehetetlen volt bármilyen képet készíteni. Nagyon alacsony hőmérsékleten jelentkeznek, és gyakran olyan fizikai fázisokat érintenek, amelyek egy szokványos mikroszkóppal nem láthatók. Bár számos mérés szolgáltatott közvetett bizonyítékot a létezésükre, igazából még senki sem látta őket. Most a Bar-Ilan Egyetem (Izrael) fizika tanszékének és Nanotechnológiai Intézetének együttműködésével a Beena Kalisky és Aviad Frydman professzorok által vezetett nemzetközi kutatócsoport végre valódi felvételeket készített a kvantumfluktuációkról.

Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

A Nature Physics folyóiratban leírt kísérletük során nemcsak vizualizálniuk sikerült a kvantumfluktuációkat, de új információkat szereztek a méretükről, időtartamukról és eloszlásukról is.

A kutatók egy sajátos mikroszkópot alkalmaztak, amely nagyon alacsony hőmérsékleten is képes működni, így a segítségével vizsgálhatók a kvantum-fázisátmenetet mutató anyagok.

A pásztázó SQUID-nek (Superconducting Quantum Interference Device – szupravezető kvantum-interferenciás eszköz) nevezett mikroszkóp egészen apró mágneses jeleket is érzékel, és a helyüket a mikrométernél (a milliméter ezredrészénél) kisebb felbontással feltérképezi.

A mikroszkóp kvantumhatások révén alakítja a mágneses jeleket feszültséggé, s ez ideális eszközzé teszi a komplex kvantumjelenségek nanoléptékben történő tanulmányozásához.

A SQUID mikroszkóp Forrás: Yiftach Frenkel

A kísérleteket Anna Kremen doktorandusz hallgató végezte, aki az érzékeny mágneses mérések segítségével követte nyomon az anyagban végbemenő kvantum-fázisátmeneteket. Az abszolút nullát megközelítő, extrém alacsony hőmérsékleten a vizsgált mintát olyan állapotba hozták, ahol a kvantumos viselkedésre számítani lehet, s eközben a SQUID mikroszkóppal képeket készítettek róla.

Az elmélet jóslatainak megfelelően a kvantumbuborékok véletlenszerű helyeken bukkantak fel: sporadikus módon megjelentek, majd eltűntek a minta különböző pontjain.

Szokva vagyunk hozzá, hogy a forrásban lévő vizet megfigyeljük e viselkedése közben, de az anyag kvantumállapotában még senki sem látott hasonló buborékokat.

Ezek a kísérletek a kvantumos események részletes vizsgálata felé nyitnak kaput.

A felvételekből olyan fizikai mennyiségekre lehet következtetni, mint a kvantumbuborékok mérete, dinamikája, eloszlása, és más jelenségekkel fellépő kölcsönhatásai.

A kvantumfluktuációk leképezésének most megszerzett képessége alapvető eszközzé válhat a kvantumtechnológia jövőbeni fejlődésében.