Efectul „bumerang” cuantic a fost observat pentru prima dată

Unele particule cuantice trebuie să se întoarcă de unde au plecat.

Fizicienii au confirmat un fenomen prezis teoretic numit efectul de bumerang cuantic. Un experiment arată că, după ce li se dă un imbold, particulele din anumite materiale se întorc în medie la punctul de plecare, raportează cercetătorii într-o lucrare acceptată în Physical Review X.

Particulele pot avea efect de bumerang dacă se află într-un material care are multă dezordine. În loc de un material imaculat, alcătuit din atomi aranjați ordonat, materialul trebuie să aibă multe defecte, cum ar fi atomi care lipsesc sau sunt nealiniați, sau alte tipuri de atomi presărați peste tot.

În 1958, fizicianul Philip Anderson și-a dat seama că, dacă există suficientă dezordine, electronii dintr-un material devin localizați: Aceștia rămân blocați pe loc, neputând să călătorească foarte departe de unde au plecat. Electronii blocați împiedică materialul să conducă electricitatea, transformând astfel ceea ce altfel ar putea fi un metal într-un izolator. Această localizare este, de asemenea, necesară pentru efectul bumerang.

Pentru a vă imagina bumerangul în acțiune, fizicianul David Weld de la Universitatea din California, Santa Barbara își imaginează că se micșorează și se strecoară în interiorul unui material dezordonat. Dacă încearcă să arunce un electron, spune el, „acesta nu numai că se va întoarce și se va întoarce direct la mine, dar se va întoarce și se va opri”. (De fapt, spune el, în acest sens, electronul este „mai mult ca un câine decât un bumerang”. Bumerangul va continua să treacă pe lângă tine dacă nu-l prinzi, dar un câine bine dresat va sta lângă tine).

Weld și colegii săi au demonstrat acest efect folosind atomi de litiu ultrafrizi ca înlocuitori ai electronilor. În loc să caute atomi care se întorc la poziția lor inițială, echipa a studiat situația analogă pentru impuls, deoarece aceasta era relativ simplu de creat în laborator. Atomii au fost inițial staționari, dar după ce au primit lovituri de lasere pentru a le da impulsuri, atomii s-au întors, în medie, la stările lor inițiale de staționare, realizând un bumerang de impuls.

Echipa a determinat, de asemenea, ce este necesar pentru a sparge bumerangul. Pentru a funcționa, efectul bumerangului necesită o simetrie inversă a timpului, ceea ce înseamnă că particulele ar trebui să se comporte la fel atunci când timpul se scurge înainte ca și atunci când se derulează înapoi. Modificând momentul primei lovituri de laser, astfel încât modelul de lovire să fie deplasat, cercetătorii au spart simetria inversă a timpului, iar efectul bumerang a dispărut, așa cum se preconiza.

„Am fost atât de fericită”, spune Patrizia Vignolo, coautor al studiului. „A fost o concordanță perfectă” cu calculele lor teoretice, spune Vignolo, fizician teoretician la Université Côte d’Azur, cu sediul în Valbonne, Franța.

Chiar dacă Anderson și-a făcut descoperirea despre particulele localizate cu mai bine de 60 de ani în urmă, efectul bumerangului cuantic este un nou venit recent în fizică. „Nimeni nu s-a gândit la el, aparent, probabil pentru că este foarte contraintuitiv”, spune fizicianul Dominique Delande de la CNRS și Laboratorul Kastler Brossel din Paris, care a prezis efectul împreună cu colegii săi în 2019.

Efectul ciudat este rezultatul fizicii cuantice. Particulele cuantice se comportă ca niște unde, cu ondulații care se pot adăuga și sustrage în moduri complicate (SN: 5/3/19). Aceste unde se combină pentru a îmbunătăți traiectoria care întoarce o particulă la origine și anulează traiectoriile care pleacă în alte direcții. „Acesta este un efect pur cuantic”, spune Delande, „așa că nu are echivalent în fizica clasică”.