Die Lügen, die geholfen haben, Pong zu erschaffen

Jetzt kommt ein Bericht über ein Quantengas namens Bose-Einstein-Kondensation, das Wissenschaftler am MIT zuerst zu einem dünnen Stab streckten und dann rotierten, bis es zerfiel. Das Ergebnis war eine Reihe von Tochterwirbeln, von denen jeder winzige mutterförmige Wirbel war.

Suche veröffentlicht in Natur temperieren, von einem Team von Wissenschaftlern, die mit dem MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms und dem Electronics Research Laboratory des Massachusetts Institute of Technology verbunden sind.

Sich drehende Quantenwolken, effektiv Quantentornados, erinnern an Phänomene, die in der großen klassischen Welt, die wir kennen, zu sehen sind. Ein Beispiel sind die sogenannten Kelvin-Helmholtz-Wolken, die wie sich wiederholende, gezackte Cartoon-Bilder von Wellen auf dem Ozean aussehen.

Weiße Wolken, die sich von ganz links nach rechts oben im Bild erstrecken, bilden ein sich wiederholendes wellenförmiges Muster über und hinter einem Wohnblock.
Diese wellenförmigen Wolken, die über einem Apartmentkomplex in Denver zu sehen sind, zeigen die sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität.Rick Duffy / Wikipedia

Wie man … macht Quantum Wolkenwirbel erfordern jedoch mehr Laborgeräte und weniger atmosphärische Windscherung. „Wir beginnen mit dem Bose-Einstein-Kondensat, das aus einer Million Natriumatomen besteht, die dieselbe quantenmechanische Wellenfunktion teilen“, sagt Martin Zwerlin, Professor für Physik am MIT.

Derselbe Mechanismus, der das Gas einfängt – eine Atomfalle aus Lasern – ermöglicht es den Forschern, es zu komprimieren und dann wie einen Ventilator zu drehen. “Wir wissen, in welche Richtung wir drängen, und wir sehen, wie das Gas höher wird”, sagt er. „Dasselbe würde mit einem Wassertropfen passieren, wenn man ihn auf die gleiche Weise dreht – der Tropfen würde sich verlängern, wenn er sich dreht.“

Was sie tatsächlich sehen, ist der Schatten, der effektiv von den Natriumatomen geworfen wird, wenn sie leuchten, wenn sie mit Laserlicht beleuchtet werden, eine Technik, die als Absorptionsbildgebung bekannt ist. Aufeinanderfolgende Einzelbilder im Film können von einer gut platzierten CCD-Kamera aufgenommen werden.

Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit zerfällt das Gas in kleine Wolken. “Es entwickelt diese komischen Wellen – wir nennen es instabil, und dann wird es extremer. Wir sehen, wie sich dieses Gas zu einer Reihe von Tropfen „kristallisiert“ – im letzten Bild sind es acht.“

Warum einen eindimensionalen Kristall akzeptieren, wenn man zwei wählen kann? Und tatsächlich sagen Forscher in einem noch unveröffentlichten Artikel, dass sie genau das getan haben.

Die Theorie sagte voraus, dass ein rotierendes Quantengas in Punkte zerbrechen würde – das heißt, man könnte aus früheren theoretischen Arbeiten schließen, dass dies geschehen würde. „Das haben wir im Labor nicht erwartet – ich kannte das Papier nicht, wir haben es einfach gefunden“, sagt Zwierlein, „es hat eine Weile gedauert, bis wir es herausgefunden haben.“

Der Kristall ist in einem vergrößerten Teil eines der Bilder deutlich sichtbar. In der Quantenflüssigkeit sind zwei Verbindungen oder Brücken zu sehen, und statt des einzigen großen Lochs, das man im Wasser sieht, enthält die Quantenflüssigkeit eine ganze Reihe von Quantenwirbeln. In einem vergrößerten Teil des Bildes fanden die MIT-Forscher eine Reihe dieser kleinen, strukturähnlichen Muster, die in regelmäßig wiederkehrender Weise miteinander verbunden waren.

„Es ist ähnlich wie wenn Wolken durch den Himmel ziehen“, sagt er. “Die ursprünglich homogene Wolke beginnt, aufeinanderfolgende Finger in einem Kelvin-Helmholtz-Muster zu bilden.”

Sehr schön, sagt sie, aber eine praktische Anwendung kann es sicher nicht geben. Natürlich kann es; Das Universum ist Quantum. Die Forschung am MIT wird von DARPA – der Defense Advanced Research Project Agency – finanziert, die hofft, einen Ring aus Quantenzyklonen als äußerst empfindliche Rotationssensoren verwenden zu können.

Wenn Sie heute ein U-Boot sind, das unter dem Meer liegt und von der Außenwelt abgeschnitten ist, möchten Sie vielleicht ein faseroptisches Gyroskop verwenden, um leichte Drehbewegungen zu erkennen. Das Licht bewegt sich in der Faser in die eine und in die andere Richtung, und wenn sich das Ganze dreht, sollten Sie ein Interferenzmuster erhalten. Aber wenn Sie Atome anstelle von Licht verwenden, sollten Sie die Arbeit besser erledigen können, da Atome viel langsamer sind. Ein solcher Quantenzyklonsensor könnte auch subtile Änderungen in der Erdrotation messen, möglicherweise um zu sehen, wie der Erdkern die Dinge beeinflussen könnte.

MIT-Forscher sind bis zum Kaninchenbau gegangen, aber nicht ganz auf den Grund. Es kann bestätigt werden, dass diese kleinen Tornados immer noch Bose-Einstein-Kondensate sind, weil selbst die kleinsten von ihnen immer noch jeweils etwa 10 Atome enthalten. Wenn Sie nur einen pro Wirbel erreichen könnten, hätten Sie den Quanten-Hall-Effekt, der ein anderer Zustand der Materie ist. Und mit zwei Atomen in jedem Wirbel erhalten Sie eine flüssige „partielle Quantenhalle“, in der jedes Atom „seine eigene Arbeit erledigt und keine Wellenfunktion teilt“, sagt Zwerlin.

Der Quanten-Hall-Effekt wird nun genutzt, um das Verhältnis von Planckscher Konstante dividiert durch die Ladung des Elektrons im Quadrat (h/e2) – eine Zahl, die von Klitzing-Konstante genannt wird – die so grundlegend ist wie die Grundlagenphysik. Aber dieser Effekt ist immer noch nicht vollständig verstanden. Die meisten Studien haben sich auf das Verhalten von Elektronen konzentriert, und die MIT-Forscher versuchen, Natriumatome als Backup-Einheiten zu verwenden, sagt Zwerlein.

Auch wenn es noch nicht ganz unten auf der Skala angekommen ist, gibt es auf dem Weg nach unten viel Raum für Entdeckungen. Wie Feynman auch sagte (irgendwie).

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William

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