Μια καινοτόμος ερευνητική ομάδα από το [Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης](https://www.tuwien.at) (TU Wien) πέτυχε ένα επιστημονικό επίτευγμα που μέχρι πρόσφατα φάνταζε απίθανο σύμφωνα με τους κλασικούς νόμους της φυσικής: τη δημιουργία ενός συστήματος όπου η ενέργεια και η μάζα μεταφέρονται με απόλυτη αποδοτικότητα, χωρίς καμία απώλεια ή αντίσταση. Το γεγονός αυτό δεν είναι μόνο του επιστημονικού ενδιαφέροντος, αλλά και πλήρως επαναστατικό για το πεδίο της φυσικής.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε προσδιορίζει πώς η ομάδα κατάφερε να κατασκευάσει έναν «τέλειο αγωγό» που χρησιμοποιεί υπερψυχρά άτομα, ξεκλειδώνοντας νέες προοπτικές για τη μελέτη των κβαντικών φαινομένων και της συμπεριφοράς της ύλης σε ακραίες καταστάσεις.
Όταν οι νόμοι της διάχυσης ανατρέπονται
Για να κατανοήσουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης, είναι ουσιώδες να εξετάσουμε πώς συμπεριφέρεται η φύση στα καθημερινά φαινόμενα. Στον μακρόκοσμο που μας περιβάλλει, η μεταφορά ενέργειας και μάζας ακολουθεί τους νόμους της διάχυσης. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι η θερμότητα: τα θερμά σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα ψυχρότερα, και η ενέργεια διασκορπίζεται μέχρι να επιτευχθεί θερμική ισορροπία.
Αυτή η διαδικασία είναι αναποτελεσματική και αργή. Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, η διάχυση δεν είναι γραμμική. Για να διανύσει κάποιος διπλάσια απόσταση μέσω διάχυσης, απαιτείται τετραπλάσιος χρόνος. Αυτοί οι νόμοι της αντίστασης αποτελούν δεδομένα σε κάθε φυσικό σύστημα, από την ηλεκτρική αγωγιμότητα μέχρι τη ροή αερίων.
Όμως, στο εργαστήριο της Βιέννης, οι κανόνες αυτοί ξαναγράφηκαν. Η ερευνητική ομάδα κατάφερε να παρακάμψει εντελώς τη διαδικασία της διάχυσης, δημιουργώντας ένα περιβάλλον όπου η κίνηση παραμένει αναλλοίωτη, ανεξάρτητα από τις συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων.
Η αρχιτεκτονική του πειράματος: Μια γραμμή από Ρουβίδιο
Το μυστικό της επιτυχίας βρισκόταν στον περιορισμό και τη συνεπή παρακολούθηση. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν χιλιάδες άτομα ρουβιδίου, τα οποία παγίδευσαν σε μια ακραία ψυχρή κατάσταση, γνωστή ως κβαντικό αέριο. Με έναν συνδυασμό μαγνητικών και οπτικών πεδίων, είχαν τη δυνατότητα να περιορίσουν την κίνηση αυτών των ατόμων σε μία μόνο διάσταση.
Φανταστείτε έναν στενό σωλήνα ή μια ράγα, όπου τα άτομα μπορούν να κινούνται μόνο μπρος-πίσω, χωρίς καμία παρέκκλιση. Σε αυτή την μονοδιάστατη διάταξη, τα σωματίδια αναγκάζονται σε συνεχείς συγκρούσεις. Σε μια συνηθισμένη ατμόσφαιρα, αυτές οι συγκρούσεις θα οδηγούσαν σε χαοτική κίνηση και επιβράδυνση, αλλά στη συγκεκριμένη περίπτωση, τα πράγματα είναι διαφορετικά.
Αυτό που παρατήρησαν οι φυσικοί του TU Wien ήταν μια ροή ενέργειας και μάζας να θυμίζει την κλασική «Κούνια του Νεύτωνα» — το γνωστό παιχνίδι γραφείου με τις μεταλλικές σφαίρες. Καθώς παρέχεται ενέργεια στη μία άκρη της διάταξης, αυτή διασχίζει τη γραμμή των ατόμων και εμφανίζεται στην άλλη άκρη χωρίς καμία ισχυρή απώλεια.
Ένα κβαντικό σύστημα χωρίς τριβές
Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στις εξειδικευμένες ιδιότητες των «ολοκληρώσιμων συστημάτων» στη φυσική. Σε αυτό το διαμορφωμένο περιβάλλον, οι συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων συμβαίνουν ελαστικά με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο, επιτρέποντας στα άτομα να ανταλλάσσουν ορμή και ενέργεια χωρίς να χάνεται η πληροφορία της κίνησής τους μέσα στο χάος της θερμικής ισορροπίας.
Ουσιαστικά, η ομάδα δημιούργησε ένα σύστημα που αρνείται να εισέλθει σε θερμική ισορροπία. Συνήθως περιμένουμε από ένα σύστημα να «ηρεμήσει» και η ενέργεια να διανέμεται ομοιόμορφα, ωστόσο, εδώ η ροή παραμένει σταθερή, καθαρή και κατευθυνόμενη. Πρόκειται για έναν «τέλειο αγωγό», όπου η αντίσταση είναι σχεδόν ανύπαρκτη.
Γιατί είναι σημαντική αυτή η ανακάλυψη;
Η ανακάλυψη αυτή προσφέρει νέες δυνατότητες για την κατανόηση της μεταφοράς ενέργειας και πληροφορίας χωρίς απώλειες, γεγονός που είναι κρίσιμο για τη μελλοντική ανάπτυξη της τεχνολογίας.
Η μελέτη τέτοιων εξαιρετικών καταστάσεων της ύλης μπορεί να παρέχει πολύτιμα διδάγματα για τον σχεδιασμό υλικών με υπεραγώγιμες ιδιότητες ή την ανάπτυξη νέων μεθόδων μεταφοράς κβαντικής πληροφορίας, με στόχο τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση. Αν και έχουμε δρόμο ακόμα μέχρι να εφαρμόσουμε τέτοιες μεθόδους σε θερμοκρασία δωματίου, η εκπληκτική αυτή ανακάλυψη ότι η φύση επιτρέπει την τέλεια αγωγιμότητα υπό ειδικές συνθήκες συνιστά ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το πείραμα αυτό επιβεβαιώνει θεωρητικά μοντέλα που προέβλεπαν αυτή τη συμπεριφορά, αλλά ήταν δύσκολο να παρατηρηθούν στην πράξη λόγω της πολυπλοκότητας της απομόνωσης των ατόμων. Η ικανότητα των ερευνητών της Βιέννης να ελέγχουν την ύλη με τόση ακρίβεια ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικά πειράματα που θα εξετάσουν τα όρια της κβαντομηχανικής.
