Άτομα που εκτελούν μια κβαντική αναστροφή.

Από σελίδα του PhysicsWeb 5 Ιουλίου 2001

Η καθημερινή εμπειρία - και ο πρώτος νόμος του Nεύτωνα για την κίνηση - μας λένε ότι μια μπάλα του μπιλιάρδου που κυλάει προς κάποια κατεύθυνση δεν μπορεί αυθόρμητα ν' αρχίσει να κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τέτοιοι όμως νόμοι δεν εφαρμόζονται στον κβαντικό κόσμο, όπου δύο ομάδες φυσικών έχουν παρατηρήσει άτομα να κάνουν τέτοια παράξενα πράγματα γνωστά ως δυναμικό φαινόμενο σήραγγας. Οι ομάδες αυτές βρήκαν ότι τα άτομα μπορούν και μεταπηδούν από τη μια στην άλλη, μεταξύ δύο σταθερών καταστάσεων κίνησης οι οποίες έχουν ίσες και αντίθετες ορμές, χωρίς να περνούν από την κατάσταση μηδενικής ορμής.
(W. Hensinger et al 2001 Nature 412 52, D Steck et al 2001 Sciencexpress 1061569).

Συχνά σκεπτόμαστε το κβαντικό φαινόμενο σήραγγας φέρνοντας στο νου μας το παράδειγμα του "μάρμαρου με το βουνό". Αν πετάξουμε ένα κομμάτι μάρμαρου προς το επάνω μέρος της πλαγιάς ενός βουνού με μια μικρή σχετικά ταχύτητα, δεν περιμένετε βέβαια ότι θα τα καταφέρει να κυλήσει από την άλλη μεριά της κορυφής.
Ένα κβαντικό σωματίδιο όμως περιορισμένο μέσα σε ένα πηγάδι όπου η δυναμική ενέργεια στο χείλος του πηγαδιού είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που διαθέτει το σωματίδιο, μπορεί να ανοίξει μια σήραγγα μέσα από τα τοιχώματα του πηγαδιού - ή φράγμα δυναμικού όπως λέγονται στη γλώσσα της φυσικής - που το περιορίζει. Αυτό το χαρακτηριστικό της κβαντικής συμπεριφοράς εκδηλώνεται διότι η κυματική υπόσταση του σωματιδίου του επιτρέπει να απλώνεται στο χώρο.

Η κυματοσυνάρτηση που αντιστοιχεί στο σωματίδιο είναι μια μιγαδική συνάρτηση της οποίας το τετράγωνο του μέτρου της περιγράφει την πιθανότητα να βρεθεί το σωματίδιο σε μια ορισμένη περιοχή του χώρου. Αυτή η πιθανότητα δεν είναι μηδενική για περιοχές έξω από τα τοιχώματα του πηγαδιού, κι έτσι δίνεται στο σωματίδιο η ευκαιρία να εμφανιστεί από την άλλη μεριά του φράγματος δυναμικού, διανοίγοντας κάποιο είδος τούνελ.
Στο δυναμικό όμως φαινόμενο σήραγγας, ένα φαινόμενο του οποίου η ύπαρξη προβλέφτηκε στη δεκαετία του '80, δεν υπάρχει κανένα φράγμα δυναμικού. Η κλασσική μηχανική απαγορεύει όμως στα σωματίδια να μεταπηδούν αυθόρμητα από τη μια κατάσταση κίνησης σε μια άλλη.

Ο Mark Raizen διηύθυνε μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Austin στο Texas ενώ ο Bill Phillips στο National Institute of Standards and Technology συνεργάστηκε με ερευνητές του πανεπιστημίου Queensland της Αυστραλίας. Και οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν όμοιες οπτικές τεχνικές για να επιδείξουν το δυναμικό φαινόμενο σήραγγας.
Περίπου ένα εκατομμύριο άτομα παγιδεύτηκαν σε ένα "οπτικό πλέγμα" το οποίο αποτελείται από τεμνόμενες δέσμες Laser. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου της δέσμης laser επάγει μια διπολική ροπή στα άτομα, η οποία αλληλεπιδρά με το ηλεκτρικό πεδίο και τα οδηγεί σε περιοχή του πλέγματος όπου επικρατεί μέγιστη ένταση. Τα άτομα ψύχονται επίσης σε θερμοκρασία μερικών nanoKelvin, κοντά στο απόλυτο μηδέν, ώστε να εξαλειφθούν διάφορες ταλαντώσεις οι οποίες θα απέκρυπταν τα κβαντικά φαινόμενα.

Άπαξ και συγκεντρωθούν τα άτομα σ' αυτούς τους θύλακες και τοποθετηθούν όλα στην ίδια κβαντική κατάσταση, η συχνότητα του φωτός laser αρχίζει να ταλαντώνεται μεταξύ των τιμών 220 και 320 KHz. Η ορμή των ατόμων μετρείται ανά διαστήματα κατά τη διάρκεια αυτών των εναλλαγών της συχνότητας, με τη χρήση μιας μεθόδου που βασίζεται στην απορρόφηση. Και οι δύο ομάδες βρήκαν ότι η ορμή των ατόμων μεταβαλλόταν εμπρός και πίσω καθώς η συχνότητα κυμαινόταν, αλλά δεν περνούσε από την τιμή μηδέν ενδιάμεσα.

Το γεγονός ότι τα άτομα δεν περνούσαν και από την κατάσταση μηδενικής ορμής σημαίνει ότι τα άτομα βρίσκονταν στην πραγματικότητα, συγχρόνως και στις δύο καταστάσεις ορμής στο ενδιάμεσο των μετρήσεων.
Το φαινόμενο αυτό είναι ένα παράδειγμα της κβαντικής επαλληλίας. Ένα σωματίδιο δηλαδή μπορεί να βρίσκεται σε μια κατάσταση η οποία είναι ένας συνδυασμός, μια υπέρθεση, απλών κβαντικών καταστάσεων. Όταν όμως εκτελούμε μια μέτρηση επί του σωματιδίου αυτού εκδηλώνεται κάθε φορά μια μόνο από τις καταστάσεις που αποτελούν τη σύνθετη. Λέμε ότι η σύνθετη κυματοσυνάρτηση καταρρέει σε μια μόνο συνιστώσα της.

Τα πειράματα επίσης υποδεικνύουν ότι το δυναμικό φαινόμενο σήραγγας υποβοηθείται από χαοτικά φαινόμενα. Περιοχές χάους υπάρχουν μέσα στο οπτικό πλέγμα, και οι δύο ομάδες βρήκαν ενδείξεις ότι το χαοτικό φαινόμενο - το οποίο είναι συνηθισμένο στον μακροσκοπικό κόσμο - μπορεί να βοηθήσει τα άτομα να μεταπηδήσουν από τη μία κατάσταση ορμής στην αντίθετή της.