77 nanokelwinów. Oto najzimniejszy makroskopowy obiekt na Ziemi

Materia otaczających nas obiektów wydaje się spokojna i stabilna. Jednak gdybyśmy spojrzeli na zwykły blat swojego biurka pod ogromnym powiększeniem, ujawniającym wiązania atomowe i cząstki elementarne – ujrzelibyśmy chaotyczną kwantową dżunglę.

Fizycy oraz inżynierowie od dawna eksperymentują z próbami unieruchamiania fragmentów materii z pomocą pułapek magnetycznych oraz ekstremalnie niskich temperatur. Osiągnięcie temperatury zera kelwinów, czyli kompletne wytłumienie wszelkich drgań i kwantowych fluktuacji, jest w praktyce niemożliwe, w związku z obowiązywaniem zasady nieoznaczoności Heisenberga.

Mimo to, potrafimy podejść bardzo blisko tej granicy, osiągając temperatury miliardowych lub nawet bilionowych części kelwina. Oczywiście z przyczyn technicznych, większość takich prób dotyczyła niemal wyłącznie maleńkich grup atomów i molekuł, o mikrych rozmiarach oraz masach mierzonych w miliardowych częściach grama.

W opublikowanym na łamach Science artykule „Approaching the motional ground state of a 10-kg object” naukowcy pochwalili się pierwszym, niemal doskonałym zmrożeniem ciała makroskopowego, zawierającego szacunkowo około oktyliona atomów (jedynka i 26 zer). Temperatura materii o masie 10 kilogramów spadła do 77 nanokelwinów, czyli miliardowych części kelwina ponad zero absolutne. Jak zaznacza jeden z autorów publikacji – Vivishek Sudhir – do głównych celów tego typu doświadczeń należy sprawdzenie "w jaki sposób grawitacja może wpływać na duże obiekty w uporządkowanym stanie kwantowym, o czym dotychczas mogliśmy tylko marzyć".

Osiągnięcie należy do Chrisa Whittle’a i jego zespołu, pracującego na co dzień dla LIGO Laboratory, a zatem placówki odpowiedzialnej za spektakularne odkrycia w dziedzinie fal grawitacyjnych. Nie jest to przypadek, ponieważ zamrożone i maksymalnie ustabilizowane podzespoły interferometrów są niezbędne dla precyzyjnych pomiarów niezwykle delikatnych zaburzeń czasoprzestrzeni. Praca nad zupełnym wyeliminowaniem wibracji termicznych zostanie w przyszłości wykorzystana do usprawnienia zwierciadeł i oscylatorów LIGO, zwiększy czułość aparatury, a tym samym pozwoli odbierać fale grawitacyjne dobiegające z odleglejszych zakątków kosmosu.

Więcej informacji znajdziecie w oryginalnej publikacji: C. Whittle, E. Hall, S. Dwye, V. Sudhir, Approaching the motional ground state of a 10-kg object, "Science" 18 Jun 2021, https://science.sciencemag.org/content/372/6548/1333.abstract