A különös élállapotban elmosódik a határ az anyag és a légüres tér között – ez nem tudományos fantasztikum, hanem immáron sikeresen letesztelt tény.

A ritka fizikai állapotot, amely korábban csak elektronokban volt megfigyelhető, most az abszolút nulla közelébe fagyott atomokban hozták létre újra, amiről a Nature Physics folyóiratban jelent meg egy tanulmány. Ebben az „élállapotban” az atomok egy adott anyag határain haladnak, figyelmen kívül hagyva az útjukba állított akadályokat. A fizikusok azt remélik, hogy az élállapotok kialakulásának jobb megértése veszteségmentes és hatékony energia- és adatátviteli rendszerek kifejlesztéséhez vezethet.

A fémek elektronfolyója

Menjünk vissza a fizikai alapokhoz – bár ezt inkább a kémiaórán hallhattuk. A fémek szerkezetében az atomok nem kovalens (mint a molekulák) vagy ionos (mint a sók) kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, hanem szabályos mintázatba, úgynevezett fémrácsba rendeződnek, a vegyértékelekrontjaikat pedig „berakják a közösbe”. Ezek az elektronok aztán szabadon áramolhatnak az anyagban – ezért vezetik olyan jól az áramot a fémek.

Az elektroncsoportok úgy haladnak át a fémeken, ahogy a madarak átrepülnek az égen, írja az IFLScience. De, mint egy szétszóródó galambcsapat, az elektronok vadul ugrálnak minden irányba, amikor akadályba ütköznek. Legalábbis eddig ezt vettük alapnak.

Elemi kiskapu

A kutatók észrevették, hogy ez a szabály bizonyos anyagokra nem vonatkozik. Itt az elektronok egyszerűen siklanak az akadályok körül, egyetlen blokkban utazva. Ezt „élállapotnak” nevezik, mivel ez a szokatlan áramlás csak bizonyos anyagok határainál fordul elő.

Ennek izgalmas alkalmazásai lehetnek – mondta Richard Fletcher, a tanulmány társszerzője és az MIT fizika adjunktusa egy nyilatkozatában. „Elképzelhető, hogy kis darabokat készítünk megfelelő anyagból, és a jövőbeni készülékekbe helyezzük, így az elektronok veszteség nélkül mozoghatnak az áramkör szélei mentén és különböző részei között.”

A lekövethetetlen élállapot

Fletcher és munkatársai az élállapotokat akarták részletesebben tanulmányozni. De ezt könnyebb mondani, mint megtenni. Ezek az állapotok csak femtoszekundumig tartanak – ez a másodperc egymilliárd része. Az elektronok is csak egy nanométernél kisebb távolságra haladnak élállapotban. Ahelyett, hogy megpróbálták volna megfigyelni ezeket a parányi feltételeket, a csapat megpróbálta felnagyítani az élállapotokat atomokkal való munkával.

Az élállapotú elektronokat korábban ultrahideg körülmények között, mágneses térben azonosították. A csapat nagyjából egymillió nátriumatommal hozta létre újra ezeket a paramétereket, amelyeket egy felhőben rendeztek el. A csapat befogta az atomokat, majd megpörgette őket.

„A csapda megpróbálja befelé húzni az atomokat, de van egy centrifugális erő, amely megpróbálja kifelé húzni őket” – magyarázza Fletcher. „A két erő kiegyensúlyozza egymást, tehát ha atom vagy, azt hiszed, egy lapos térben élsz, pedig a világod forog. Van egy harmadik erő is, a Coriolis-effektus, ami azt jelenti, hogy ha megpróbálnak egy vonalban mozogni, eltérnek. Tehát ezek a hatalmas atomok most úgy viselkednek, mintha mágneses térben élő elektronok lennének.

Annak érdekében, hogy az atomok körbejárhassanak, a csapat bevezetett egy lézerfénygyűrűt. Amikor az atomok összeütköztek ezzel a könnyű gyűrűvel, egy rulettkerék forgásának első néhány izgalmas másodpercében golyóként áramlottak a határa körül. Az atomok figyelmen kívül hagyták az útjukba állított akadályokat – mondta Fletcher.

Sikeresen felnagyították

Fontos, hogy ez az élállapot ezredmásodpercekig tartott, és mikronokon keresztül ment végbe – ez az időtartam és a távolság nagysága nagyobb, mint az elektron élállapotok által elért érték. Ez lehetővé tette a csapat számára, hogy könnyebben rögzítse az élállapotokat.

„Ezek az atomok súrlódásmentesen áramlanak több száz mikron hosszan” – mondta Fletcher. „Ilyen hosszú áramlás, mindenféle szóródás nélkül, a fizika olyan fajtája, amely az ultrahideg atomrendszerekben általában nem látható.”

Most, hogy gyakorlatiasabb kísérleti elrendezéssel rendelkeznek, a csapat azt tervezi, hogy új akadályokat és interakciókat vezet be az élállapotaiba. Még mindig nem világos, hogy az atomok hogyan fognak viselkedni, és milyen alkalmazásokat tudnának működtetni. De Fletcher számára a tanulmány valódi értéke egy rejtett világ szemlélésében rejlik. „Számunkra a szépség az, ha a saját szemünkkel látjuk a fizikát, ami teljesen hihetetlen, de általában el van rejtve az anyagokban, és nem lehet közvetlenül megnézni.”

Ez is érdekelhet:

Kiemelt kép: depositphotos.com