Når deres kvanteegenskaber er nøjagtigt kontrolleret, kan nogle ultrakoldte atomer modstå fysikens love, der antyder, at alt har tendens til forstyrrelse

En magnetisk og optisk fælde, der bruges til at afkøle atomer til tæt på absolut nul
Fysiklovene hævder, at et organiseret system vil vokse mere og mere forstyrret over tid, indtil det opløses i uovertruffen svamp – men et nyt eksperiment viser, at nogle ekstremt kolde atomer kunne undgå sådan entropi.
Ethvert system, der begynder med lav forstyrrelse eller lav entropi, er bundet til til sidst at blive mere rod. Billedblomster arrangeret i en buket: Deres entropi vil gradvist fortsætte med at stige, indtil det lysfarvede bundt bryder ned i brunt støv.
I mere end et århundrede troede fysikere, at processen bag dette, kaldet termalisering, var uundgåelig. I 1950’erne blev det imidlertid klart, at kvanteeffekter kan forårsage undtagelser.
Luheng Zhao ved Duke University i North Carolina og hans kolleger opdagede, at sådanne undtagelser kunne selektivt oprettes. I deres eksperiment termaliserede nogle atomer, mens andre trodsede entropi og forblev tæt på deres oprindelige tilstand.
”Dette er blevet postuleret og antaget i fortiden, men aldrig observeret i et eksperiment,” siger han.
Zhao og hans kolleger fokuserede på atomer i elementet Rubidium, som de afkølede til kun 19 millioner af en grad Kelvin over absolut nul ved at ramme dem med lasere og elektromagnetiske felter. De brugte de samme værktøjer – lasere og elektromagnetiske felter – til at arrangere op til 19 sådanne atomer i en kæde.
Disse atomer blev også overordnet i diameter, hvilket betyder, at deres elektroner kredsede deres kerner i en stor afstand. Som et resultat var atomerne ekstremt følsomme over for lys – som derefter let kunne bruges til at kontrollere dem.
Ved hjælp af laserlys kunne forskerne få atomerne til at interagere med hinanden på en meget specifik måde. Lys gjorde det også muligt for teamet at præcist indstille atomernes kvanteegenskaber, såsom energierne i deres elektroner, i begyndelsen af eksperimentet. Efter at have oprettet de oprindelige betingelser gav forskerne atomerne tid til naturligt at ændre stater – en mulighed for at termalisere – inden de måler disse kvanteegenskaber og bestemmer atomernes eventuelle tilstand.
Påfaldende, med den rigtige kombination af indledende egenskaber og interaktioner, modsatte nogle atomer i kæden termalisering. I stedet for at slutte sig til deres nærliggende atomer i dannelsen af en tilstand, der ville opleve masser af entropi, endte de med egenskaber, der var meget lig dem, de havde i starten af eksperimentet.
Thomas Iadecola ved Iowa State University siger, at det er usædvanligt for en del af et system at på en eller anden måde undlader at nå den samme høje entropistat som resten af det. ”Typisk, uanset hvilken indledende tilstand du startede i, skulle ikke have noget at gøre,” siger han.
Nu hvor forskerne har vist, at denne type adfærd kan konstrueres og kontrolleres, kan den have praktiske anvendelser. Evnen til selektivt at undgå termalisering kan være nyttig i eksperimenter, hvor ultracold atomer bruges til simulering af materialer, eller hvor ændringer i deres kvantetilstand bruges til at behandle information. IADECOLA siger, at det at sørge for, at nogle atomer altid opfører sig anderledes end deres naboer, kunne være en ekstra kontrolmetode i sådanne eksperimenter.
En især lovende anvendelse kunne være at muliggøre kvantecomputere bygget fra ultracold atomer til at fange og korrigere deres egne fejl, siger Zhao. I dette tilfælde ville forskerne forsøge at sikre, at enhver funktionsfejl forblev begrænset til kun få atomer i stedet for at sprede sig gennem hele computeren.