Вселената в епруветка

Прекрачвайки прага на лабораторията на Мартин Цвирлейн, се озоваваш в съвсем друг свят. Зад тези стени може да се видят много удивителни неща, които не се срещат в обикновения живот. Да речем днес изследователите си играят с кварк-глуоновата плазма, която в природата е съществувала само в първите мигове след Големия взрив. Елате следващата седмица и ще видите как учените пресъздават повърхността на неутронна звезда. Понякога дори успяват да създадат вещества, които никога не са съществували във Вселената.

Всичко това не се прави за развлечение. Нещата, които изучават специалистите от Масачузетския технологичен институт в САЩ, имат една обща черта – безумно сложна вътрешна организация. Прокарайте пръсти през сензорния екран на вашия смартфон и електрическият импулс ще пусне цяла каскада от процеси на молекулярно ниво с разрушаването на едни връзки и образуването на други. Как конкретно работи това? Как магнитът задържа списъка ви с покупки на вратата на хладилника? И какво кара някои материали при охлаждане до определена температура да се превърнат в свръхпроводници? Ако това можеше да се случи при стайна температура, бихме имали възможност да съхраняваме енергия неограничено дълго и напълно безплатно.

Ако можеше… Опитите да се моделират всички многобройни ефекти и сили, участващи в дадени процеси, още не са донесли особени плодове. „Струва ни се, че са ни известни всички съставки – че може да се преброят на пръсти – казва Цвирлейн. – Но опитайте се да ги въведете в компютъра и той просто ще гръмне.”

Затова няколко групи от различни страни, включително тази на Цвирлейн, са се заели с разработката на „план Б”. Учените се надяват да проникнат в самото сърце на материята, използвайки мощен квантов симулатор. За първи път идеята за квантовата симулация (в дадения контекст – моделиране) е изказана през 1981 г. от знаменития физик Ричард Файнман. Ученият подчертава, че обикновеният компютър е прозорец, ограничаващ обзора към света. Неговата работа е основана на суха логика и ясни инструкции. В същото време квантовата физика е обител за теоретични вероятности и възможности. В нея частиците имат неопределено пространствено положение и изпитват върху себе си влиянието на милиарди такива неопределени частици, каквито са самите те.

Как да се моделира цялото безкрайно множество квантови ефекти и при това да се получи цялостна картина? Файнман отговарял на този въпрос с присъщия му маниер: „В природата, дявол да го вземе, няма нищо класическо, така че ако искате да имитирате природните процеси, по-добре се обърнете към квантовата механика.” Оттогава са изминали трийсет години, но ние не сме се напреднали в опитите да конструираме универсален компютър, който да работи на принципите на квантовата физика.

Клетка за атома

За ролята на квантов симулатор претендират няколко кандидата, например фотони и хванати в капан йони. Но за съжаление най-добрият вариант е атомарният газ, охладен до свръхниски температури. Пресичащи се лазерни лъчи образуват подобие на контейнер за яйца, в чиито клетки са затворени атоми. Под действието на лазера естествените колебания на частиците затихват и газът се охлажда до температура, надвишаваща абсолютната нула само с няколко милиардни части от градуса. Поведението на атомите, пребиваващи в такова състояние, ясно се описват от законите на квантовата механика.

Това е доста сложна технология, изискваща пипкава работа, и учените едва започват да я усвояват. „Мнозина вече са се научили да ловят, измерват и контролират отделни атоми”, казва Йен Шпилман от Националния институт по стандарти и технологии в Гейтерсбърг (Мериленд, САЩ). След охлаждане с помощта на светлинни импулси може да се промени поведението на частиците и средата около тях. Например можем да заставим някои от атомите да заемат положение на суперпозиция – тоест едновременно в две квантови състояния – и да правим с тях всичко, което ни хареса, отбелязва Цвирлейн.

Манипулациите с лазери позволяват да се моделира това, което лежи извън границите на възможностите на обикновения компютър, например някои астрофизични феномени. „Например може да се пресъздадат процесите, протичащи в неутронните звезди”, казва Кай Бонгс, завеждащ лабораторията по квантова симулация в университета в Бирмингам. Неутронните звезди се образуват в резултат на взрив на свръхнови, чиито ядра колапсират – свиват се рязко. Те са по-тежки от нашето Слънце, а диаметърът им е някакви си 10-15 километра. Гравитацията и магнитното поле на тези обекти са необикновено силни, което обуславя цяла редица сложни взаимодействия вътре в тях – прекалено сложни, за да ги моделира в детайли обикновен компютър.

През февруари миналата година екипът на Цвирлейн създал модел на неутронна звезда от свръхохладени атоми литий-6, които благодарение на величината на квантовомеханичния им спин попадат (както и неутроните) в клас частици с наименованието „фермиони”. Квантовите закони забраняват на фермионите да се намират прекалено близо един до друг. Симулацията показала как атомите в определен момент престават да се сближават и при достигането на определен праг от плътност свиването на неутронната звезда спира.

По подобен начин в лабораториите изучават свойствата на кварк-глуоновата плазма – материя във високоенергийно състояние, която е съществувала в първите мигове след Големия взрив и от която са се образували всички частици. В ускорителя на Брукхейвънската национална лаборатория в САЩ и Големия адронен колайдер на ЦЕРН в Швейцария получават кварк-глуонова плазма, сблъсквайки йони на тежки елементи (например олово) с такава сила, че те се разпадат.

Цвирлейн и колегите му в своя „малък колайдер Ферми” точно повтарят цялата физика на процеса, но го правят с по-управляеми частици, при значително по-ниска температура и за несравнимо по-ниска стойност. Първите резултати от работата им, публикувани през 2011 година, били доста впечатляващи. Под действието на магнитните сили два облака, състоящи се от около 100 000 литиеви атома всеки, се сблъсквали, след това отскачали един от друг, след това отново се привличали и накрая се сливали в едно, в точно съответствие с теоретичните модели на кварк-глуоновата плазма.

В търсене на бозона на Хигс

Как стоят нещата с Хигс бозона, най-желаната „награда” за привържениците на Стандартния модел? Миналата година Имануел Блох и колегите му от Института по квантова оптика „Макс Планк” регистрирали в облак свръхохладен рубидий-87 вълна от енергия, идеално съответстваща на математическото описание на неуловимата доскоро частица. Ако ви се струва, че това е малко, нека ви напомним, че в лабораториите на ЦЕРН също никой не е виждал бозона с очите си – фиксирани са само енергийни отпечатъци от частици, които теоретично трябва да се образуват при неговия разпад.

Екипът на Блох получил нискотемпературен аналог на бозона няколко месеца преди да се каже, че са го наблюдавали на Големия адронен колайдер.

Тези първи успехи свидетелстват за това, че квантовата симулация наистина позволява да се моделира поведението на всяка квантова система, колкото и сложна да е тя. „Този метод започва да завоюва позиции в науката”, казва Шпилман. И разбира се, с негова помощ може да се изучават по-познати ни явления.

Да вземем например магнетизма. Този феномен възниква, когато спиновете на атомите в кристални решетки на метали се построяват по определен начин. Подробностите на този процес не са изяснени докрай, което затруднява търсенето на нови материали с магнитни свойства. Кристофър Монро и колегите му от Мерилендския университет в Балтимор се опитват да пресъздадат прехода в магнитно състояние с помощта на хванати в капан йони. Първите експерименти те провеждали с малко количество частици, а изчисленията били толкова прости, че може да ги прави класически компютър. Сега, с прибавянето на по-голям брой йони, възможностите на модела са се разширили съществено.

Този принцип с успех може да се приложи към моделирането и на други квантови системи с по-практическо значение (например системите за връзка в сензорния екран на смартфона). Магнетизмът също е само стъпка по пътя към нещо по-голямо. Интересът към него е продиктуван от редица следствия от уравнението на т.нар. модел на Хъбард, който описва процеса на прехода на материала от диалектрично към проводимо състояние. „Теорията предсказва наличието на магнитна фаза, предшестваща фазата на свръхпроводимост”, пояснява Блох.

В преследване на призраци

Свръхпроводниците са материали, губещи електрическо съпротивление при спадане на температурата под определена величина. Веществата, правещи този трик при охлаждане почти до абсолютната нула, са открити преди около век. Причините за това им поведение днес са повече или по-малко изучени. Но понякога феноменът се наблюдава при по-високи температури – до 138 келвина, което учените не могат да обяснят.

Идеята на изследователите се заключава в това да заставят атомарния газ да се държи в съответствие на модела на Хъбард. Тогава може да се управляват състоянията на моделите, променяйки силата на магнитното поле, плътността на кристалната решетка, количеството атоми с различни спинове и т.н. Това позволява да се проследи моментът на възникване на магнитните свойства и свръхпроводимостта. Променяйки едни или други параметри, теоретично може да се постигне проява на същите ефекти при по-високи температури.

Разбира се, на практика не всичко е толкова лесно. Първо, казва Игнасио Сирак, колега на Блох, температурата на съществуващите свръхохладени модели е недостатъчно ниска. Всъщност става дума не за физическа, а за т.нар. температура на Ферми, при която половината електрони на проводника се движат достатъчно свободно, за да пренасят енергия. Всеки свръхпроводим материал има своя температурна лента и принципно тя многократно превишава прага, при който изчезва свръхпроводимостта.

Симулацията е идеална, в случай че съотношението между температурата на Ферми на охладения газ и неговата работна температура е приблизително равно на съотношението между температурата на Ферми и температурата на свръхпроводимостта на изследвания материал. За да има равенство, атомарният газ трябва да е 5 пъти по-студен. Това не е лесно да се постигне. Колкото по-малко е топлината, толкова по-силно е взаимодействието между атомите. Но електроните (също както и неутроните в неутронната звезда) са фермиони, а това означава, че не обичат да се приближават прекалено близо един до друг и същото се отнася и до частиците газ, влизащи в качеството на техен аналог.

Единственият изход е да се приложи обходен модел. „Креативни идеи на масата”, отбелязва Цвирлейн. Екипът му сега тества метод, предложен от Петер Цолер от университета в Инсбрук (Австрия). Фермионите в симулатора се смесват с „по-комуникативни” бозони. В резултат първите остават фиксирани в индивидуалните си клетки, а вторите се движат, влизайки във взаимодействие и губят енергия в резултат на сблъсъците, като по този начин понижават общата температура на системата.

Литиевият газ на Цвирлейн също има редица многообещаващи свойства. Температурата, при която атомите му започват да имитират свръхпроводимост, е 16% от температурата на газа на Ферми. Материал с еквивалентни характеристики би загубил напълно съпротивление при температура, по-висока от стайната – точно такъв свръхпроводник днес търсят учените, казва Вилхелм Цвергер от Мюнхенския технически университет.

Цялата прелест на квантовата симулация се състои в удивителната й гъвкавост. Обикновено изследователите отначало разработват теоретичен модел на потенциално перспективен материал, след това го създават в лаборатория, измерват характеристиките му – и всичко това за да се убедят накрая, че той за нищо не става. В същото време, правейки аналог на свръхпроводник от газа свръхохладени атоми, може за няколко дни да се тестват стотици варианти на системите при различни температури. „Разликата между двата подхода е очевидна”, коментира Шпилман.

Освен това теоретиците най-после имат възможност да проверят моделите си на практика. „Не бива да се вземат случайни величини – необходимо е да се извеждат по експериментален път”, казва Цвирлейн. Блох също повтаря: „Охладените атоми позволяват да се работи с това, което е недостъпно за изучаване в реалния свят.”

В същото време, според Сирак, това може да изиграе лоша шега. Когато става дума за феномени, които никога не са наблюдавани в природата, например такива като високотемпературната свръхпроводимост, няма стопроцентова гаранция, че квантовият симулатор няма да ни накара да преследваме призраци дотогава, докато накрая не изобретим съответния материал.

Но така или иначе, възможностите на метода са огромни. Файнман е завършвал лекцията си за квантова симулация с думите: „Ей Богу, това е забележителна задача – именно защото не е лесна.” Трийсет години по-късно ние не храним излишни илюзии. Но както би отбелязал Файнман, макар задачата все още да е трудна, тя изглежда изпълнима, дявол да го вземе!

Материалът е публикуван в сп. New Scientist