Fyzikové z Massachusettského technologického institutu v americké Cambridgi stvořili oblaka plynu, která se nechovají podle očekávání. Když se setkají dva plynné oblaky, obvykle se prostupují. Ty jimi stvořené se však neprolnou jako každý slušný plyn, ale odrazí se. Jak je to možné a k čemu je to dobré?

To, co se fyzikům z MIT podařilo, rozhodně nezůstane nepovšimnuto. Experiment byl založen na pokusech s hmotou při teplotách blízkých absolutní nule. Z této hmoty vědci zformovali plynné oblaky, milionkrát řidší než vzduch.

Výsledky pokusů by mohly pomoci i s vysvětlením chování takových systémů jako jsou neutronové hvězdy, vysokoteplotní supravodiče nebo kvark-gluonové plazma, které podle předpokladů existovalo prvních asi 20 až 30 mikrosekund po vesmírném Velkém třesku.

Na hraně přírodních zákonů

Vědci z týmu profesora Martina Zwierleina si pro svůj experiment vybrali lithium. Přesně řečeno jeho izotop, který svými vlastnostmi patří mezi částice zvané fermiony (viz rámeček).

Z těchto izotopů lithia vytvořili silně reaktivní systém s předpokladem, že izotopy lithia se budou chovat velmi podobně jako elektrony.

Zvýšili energii atomů lithia působením elektromagnetického pole a přinutili je mezi sebou reagovat tak silně, jak to přírodní zákony umožňují. Aby eliminovali jakýkoliv vliv teploty, podchladili výzkumníci celý systém na skoro nepředstavitelnou teplotu zlomku Kelvina, tedy téměř absolutní nulu (-273 ºC).

Věčnost delší než jedna sekunda

Pak použili energii magnetického pole pro vytvoření dvou oblaků plynu lišících se svým spinem (vnitřní moment hybnosti měl opačnou orientaci). Laserovým světlem donutili mračna ke kolizi a čekali, co se stane.

Mraky se přiblížily podle očekávání, ale když se setkaly a vědci očekávali, že se prolnou, prostoupí do sebe, jako by to spořádané plyny udělaly, mračna se dramaticky rozhodla jinak.

„Když jsme viděli, že se tyto vysoce zředěné oblaky plynu od sebe odrazily, byli jsme docela ohromeni,“ přiznává jeden z vědců, Ariel Sommer. Bylo to vůbec poprvé, co byl takový jev pozorován.

Oblaka plynů se v experimentu nakonec prolnula, ale v některých případech to v měřítku atomů trvalo „celou věčnost“, jednu sekundu i déle, což je skutečně vzhledem k podmínkám pokusu extrémně dlouhá doba.

Neutronové hvězdy i supravodiče

V budoucnosti chtějí vědci využít toto pozorování jako model chování jiných silně reaktivních systémů, neutronových hvězd s vysokou hustotou, které mají průměr sice jen několik desítek kilometrů, ale jsou hmotnější než naše Slunce.

Výzkum je také součástí programu zaměřeného na využití modelových systémů pro studium vlastností komplexních materiálů, jako jsou vysokoteplotní supravodiče a nové magnetické materiály, které jsou využitelné například v datových systémech.

Pro budoucí projekty vědci plánují také vytvořit z lithia plyn s dvoudimenzionálním uspořádáním, který umožní simulovat stav, ve kterém elektrony existují ve vysokoteplotních supravodičích.

Elementární stavebnice

*Elementární částice jsou buďto fermiony (kvarky a leptony, mezi které patří i elektrony) nebo bosony (fotony a gluony).

*Fermiony jsou částice s poločíselným spinem, to znamená, že při otočení o 360º se mění orientace, znaménko jejich vlnové funkce.

*Proto se částice složené z lichého počtu fermionů chovají zase jako fermiony, jejich výsledný spin je poločíselný, zatímco částice složené ze dvou fermionů se chovají jako bosony, které mají spin celočíselný.

*Při různých stavech hmoty mají fermiony odlišnou mobilitu.

*Například elektrony jsou mobilní v kovu, ale nehybné v izolátoru nebo se pohybují bez odporu jako v supravodičích.

*V mnoha typech materiálů včetně vysokoteplotních supravodičů není ještě docela jasné, co fermiony k takovému chování přiměje.