Tim sa TU Wien je pokazao da ultrahladni gas rubidijuma-87 u jednoj dimenziji prenosi masu i energiju bez raspadanja, i to pri temperaturama 30–70 nK u liniji dužine ~100 μm. Difuzija je bila praktično potisnuta, a širenje je pokazalo balističko skaliranje; istraživači su koristili fizički informisanu neuronsku mrežu da rekonstruišu čestične i energetske tokove iz mera gustine. Rezultati, objavljeni u Science, ukazuju da integrabilnost 1D gasa sprečava uobičajenu termalizaciju i omogućava dugotrajne struje.
Kvantna Njutnova kolevka: ultrahladni gas prenosi energiju bez disipacije
Physicists observe nearly perfect ballistic transport in a one-dimensional ultracold rubidium gas. (CREDIT: AI-generated image / The Brighter Side of News)
U većini materijala organizovano kretanje s vremenom popušta: električni tokovi slabe zbog rasipanja elektrona, toplota se izjednačava difuzijom, a fluide zaustavlja trenje. Ipak, u laboratoriji na TU Wien fizičari su stvorili sistem u kojem taj uobičajeni gubitak praktično nestaje — masa i energija nastavljaju da protiču bez razgradnje.
Kako je eksperiment izveden
Tim je radio sa ultrahladnim gasom rubidijuma-87 (87Rb) ohlađenim na 30–70 nK. Atomskim čipom kreirali su uski, dug trap koji je atomski oblak ograničio na jednu dimenziju dužine oko 100 μm. Snažno vezivanje u dve poprečne dimenzije omogućilo je da se sudari između atoma odvijaju gotovo isključivo „glava‑u‑glavu“. Optički potencijali oblikovani digitalnim mikrozrcalima (DMD) služili su za preciznu kontrolu zamke.
Gas je pripremljen u termičkoj ravnoteži pomoću laserskog i evaporativnog hlađenja; parametri su smestili sistem u kvazi‑kondenzatni režim u kome međuatomske interakcije značajno utiču na dinamiku.
Particle flow in response to constant external force. (CREDIT: Science)
Neobično ponašanje: ni balistika ni difuzija
Nakon iznenadne promene potencijala, istraživači su snimali kako se prostorna raspodela gustine razvija. Umesto očekivane difuzije (kod koje se širenje skaluje kao koren iz vremena), talasne fronte su se širile tako da su profili gustine i toka kolabovali kada su se crtali u odnosu na udaljenost podeljenu vremenom — znak balističkog prenosa.
"Difuzija je praktično potpuno suprimirana," rekao je Frederik Møller iz Atominstituta TU Wien.
Istraživači porede fenomen sa Njutnovom kolevkom: u 1D sudarima momenti se ne raspršuju u nasumično gibanje već se razmenjuju između partnera, pa impulse i energiju nije lako demistifikovati.
Merenja i analiza
Tim je koristio dva pristupa: blago naginjanje potencijala (analoga primeni električnog polja) da izazove stalan protok, i uklanjanje barijere između dve regije različite gustine da posmatra oslobađanje i širenje talasa. Direktna merenja tokova su teška zato što proces snimanja uništava gas, pa su istraživači primenili fizički informisanu neuronsku mrežu. Model je ugrađivao zakone očuvanja mase i energije (kontinuitetne jednačine) i rekonstruisao lokalne čestične i energetske tokove iz niza slika gustine.
Extracting bipartition currents with physics-informed neural networks. (CREDIT: Science)
Podaci su potvrdili odsustvo difuznog skaliranja i pokazali visok doprinos trajnim strujama koji se opisuje kroz Drudovu težinu (Drude weight) — meru sposobnosti sistema da podrži perzistentne struje čak pri konačnoj temperaturi.
Zašto se sistem ne termalizuje
Ponašanje proističe iz integrabilnosti jednodimenzionalnog gasa: veliki broj očuvanih količina ograničava kako se energija i moment mogu preraspodeliti, pa oblak ne relaksira u uobičajenu termalnu ravnotežu, već održava dugotrajne struje. Eksperiment je takođe zabeležio karakteristike disperzivnih šok‑talasa i obrasce predviđene Whithamovom teorijom.
Zašto je važno
Ovo je čist, kontrolisan prikaz kvantnog transporta bez uobičajene disipacije, značajan za testiranje teorija poput generalizovane hidrodinamike i za razumevanje nastanka ili nestanka otpora u kvantnim uređajima. Rad je objavljen u časopisu Science.
Pomozite nam da budemo bolji.
