Kun kvanttikaasut kieltäytyvät noudattamasta sääntöjä

Fyysisissä järjestelmissä kuljetus tapahtuu monella eri tavalla, kuten sähkövirralla johteessa, lämmön kululla metallin läpi tai veden virtauksella putken läpi. Kutakin näistä virroista voidaan kuvata sillä, kuinka helposti alla oleva suure – varaus, energia tai massa – liikkuu materiaalin läpi.

Normaalisti törmäykset ja kitka johtavat vastukseen, joka hidastaa tai häviää näissä virtauksissa.

Mutta uudessa kokeessa TU Wienissä tutkijat ovat havainneet järjestelmän, jossa näin ei kuitenkaan tapahdu.

Rajaamalla tuhansia rubidiumatomeja liikkumaan yhtä linjaa pitkin magneettisten ja optisten kenttien avulla he loivat ultrakylmän kvanttikaasun, jossa energia ja massa liikkuvat täydellisen tehokkaasti.

Tutkimustyön tulokset osoittavat, että lukemattomien törmäysten jälkeenkin virtaus pysyy vakaana ja vähentymättömänä, paljastaen siten eräänlaisen kulkeutumisen, joka uhmaa tavallisen aineen sääntöjä.

”Periaatteessa on olemassa kaksi hyvin erilaista kuljetusilmiötä”, sanoo Frederik Møller Wienin teknillisen yliopiston atomi-instituutista. ”Puhumme ballistisesta kulkeutumisesta, kun hiukkaset liikkuvat vapaasti ja kulkevat kaksinkertaisen matkan kaksinkertaisessa ajassa – kuten suorassa linjassa kulkeva luoti.”

On myös diffuusiokuljetusta, joka syntyy monista satunnaisista törmäyksistä. Lämmönjohtavuus on yksi tällainen diffuusioprosessi: kun jotkut kuumat hiukkaset kohtaavat kylmempiä hiukkasia, ne jakavat vähitellen energiaa ja liikemäärää, kunnes keskimäärin kaikilla on sama lämpötila. "Tämäntyyppinen kuljetus ei ole lineaarista", Møller sanoo. "Kaksinkertainen matka tarvitsee tyypillisesti neljä kertaa pidemmän ajan."

TU Wienin kokeessa atomit käyttäytyivät hyvin eri tavalla. ”Tutkimalla atomivirtaa näimme, että diffuusio on käytännössä täysin estynyt”, Møller sanoo. ”Kaasu käyttäytyy täydellisen johtimen tavoin; vaikka atomien välillä tapahtuu lukemattomia törmäyksiä, suureet, kuten massa ja energia, virtaavat vapaasti häviämättä järjestelmään.”

Tämä epätavallinen käyttäytyminen voidaan ymmärtää vertaamalla sitä Newtonin kehtoon, tuttuun pöytäleluun, jossa on rivi heiluvia metallipalloja. Kun yksi pallo vedetään irti ja päästetään, se siirtää liikemääränsä suoraan muiden kautta vastakkaisessa päässä olevaan palloon, joka heilahtaa ulos kuin koskemattomana.

”Järjestelmämme atomit voivat törmätä vain yhteen suuntaan”, Møller selittää. ”Niiden liikemäärät eivät hajaannu, vaan ne yksinkertaisesti vaihtuvat törmäyskumppaneiden kesken. Jokaisen atomin liikemäärä säilyy – se voi vain siirtyä eteenpäin, ei koskaan kadota.”

Aivan kuten Newtonin kehdossa, liike atomilangassa jatkuu vaimenematta. Liikemäärä ja energia voivat kulkea kaasun läpi loputtomiin sen sijaan, että ne haihtuisivat kuten normaalissa aineessa. ”Nämä tulokset osoittavat, miksi tällainen atomipilvi ei lämpene – miksi se ei jaa energiaansa termodynamiikan tavanomaisten lakien mukaisesti”, Møller sanoo. ”Kuljetuksen tutkiminen tällaisissa täydellisesti kontrolloiduissa olosuhteissa voisi avata uusia tapoja ymmärtää, miten vastus syntyy tai häviää kvanttitasolla.”

Aiheesta aiemmin:

Valon aiheuttama ei-vastavuoroinen magnetismi

Miten valo toimii? Kysy mekaanikolta