Kvantový „bumerangový“ efekt pozorovaný po prvý raz

  • Valentín Korinek | 20 Apríl 2022
    Svet fyziky
Pri efekte kvantového bumerangu sa častice po postrčení v priemere vrátia do svojich východiskových pozícií. Nový experiment (na obrázku) demonštruje verziu efektu s použitím atómov lítia. (Tony Mastres)

Fyzici potvrdili teoreticky predpovedaný jav nazývaný efekt kvantového bumerangu. Experiment odhaľuje, že po postrčení sa častice v určitých materiáloch v priemere vrátia do svojich východiskových bodov.

Častice nadobúdajú tento efekt, ak sa nachádzajú v určitých materiáloch. Namiesto pôvodného materiálu zloženého z precízne usporiadaných atómov, musí mať materiál množstvo defektov, ako sú chýbajúce atómy, alebo sú nesprávne rozmiestnené v mriežke, poprípade sú tam iné atómy rozhodené všade a nepravidelne.

Už v roku 1958 si fyzik Philip Anderson uvedomil, že pri dostatočnej poruche sa elektróny v materiáli lokalizujú. Jednoducho uviaznu na mieste a nedokážu sa dostať veľmi ďaleko od pôvodného miesta, kde začali. Takto uviaznuté elektróny potom danému materiálu bránia vo vedení elektriny, čím premieňajú to, čo by inak mohol byť kov, na izolant. Takýto princíp je potrebný aj pri bumerangovom efekte.

Efekt je podobný letiacemu bumerangu, ktorý predstavuje elektrón pohybujúci sa v neusporiadanom materiáli. Elektrón odletí od svojho miesta v materiáli ako bumerang z rúk a rovnako ako sa bumerang otočí a vráti sa, tak urobí aj elektrón v danom materiáli a k tomu sa ešte aj zastaví. (Bumerang musíte chytiť.) Predstavte si, že elektrón zostane na mieste ako bumerang, ktorý by sa k vám vrátil a zostal vedľa vás bez toho, aby ste ho museli chytať. V tomto zmysle sa spomínaný elektrón podobá viac na psa ako na bumerang. Ten sa k vám po aporte tiež vráti a nemusíte ho chytať. Jednoducho sa pri vás zastaví a ostane stáť či sedieť. No tak ako bumerang či aportujúci pes, ani elektrón sa ďaleko od svojho pôvodného miesta v materiáli nevzdiali.

Fyzici demonštrovali tento efekt pomocou ultrachladných atómov lítia ako náhradných prvkov pre elektróny. Namiesto hľadania atómov vracajúcich sa do svojej pôvodnej polohy študovali analogickú situáciu pre hybnosť, pretože to bolo relatívne jednoduché vytvoriť v laboratóriu. Atómy boli spočiatku nehybné, ale potom, čo pomocou laserov získali hybnosť, sa atómy v priemere vrátili do svojich pôvodných pokojových stavov, čo vytvorilo spomínaný bumerangový efekt.

Vedci tiež určili, čo je potrebné aby k efektu nedošlo. Vyžaduje to symetriu spätného chodu v čase, čo znamená, že častice by sa mali správať rovnako, keď čas beží dopredu, a taktiež ako by sa správali pri plynutí dozadu. Zmenou načasovania prvého impulzu z laserov tak, že vzor impulzu bol mimo dosah, vedci narušili symetriu zvrátenia času a bumerangový efekt zmizol, ako sa predpovedalo.

Aj keď Anderson urobil svoj objav o lokalizovaných časticiach pred viac ako 60 rokmi, kvantový bumerangový efekt je vo fyzike novinkou. Podivný efekt je výsledkom kvantovej fyziky. Kvantové častice pôsobia ako vlny, ktoré môžu komplikovaným spôsobom narastať a klesať. Tieto vlny sa kombinujú, aby zlepšili trajektóriu, ktorá vracia časticu do jej východiskovej polohy a rušia cesty, ktoré idú v iných smeroch. Je to čisto kvantový efekt a neexistuje k nemu ekvivalent v klasickej fyzike.