A kvantummechanika egyik alaptétele, hogy az apró részecskék, például az atomok, hullámként is viselkedhetnek. Ez teszi lehetővé az úgynevezett atomlézerek létrehozását, amelyek koherens anyaghullámokat bocsátanak ki. A gond eddig az volt, hogy ezeket a hullámokat rendkívül nehéz volt elég hosszú ideig fenntartani ahhoz, hogy a gyakorlati alkalmazások egyáltalán szóba jöhessenek.

A Florian Schreck vezette kutatócsoport azonban most teljesen újragondolta a Bose–Einstein-kondenzátum (BEC) előállításának folyamatát. A BEC egy különleges anyagállapot, amelyben az atomok úgy viselkednek, mintha egyetlen közös kvantumhullámot alkotnának.

„A korábbi kísérletekben az atomokat egy helyen hűtöttük le, lépésről lépésre” – magyarázta Schreck. „Mi viszont teljesen más megközelítést választottunk: a hűtési folyamatot nem időben, hanem térben osztottuk fel. Az atomok egymás után több hűtési szakaszon haladnak keresztül, majd elérik a kísérlet központi részét, ahol létrejön a BEC. Amíg a kondenzátumból kinyerjük az atomokat, folyamatosan érkeznek újak, hogy pótolják a hiányt. Ez teszi lehetővé, hogy az egész folyamat gyakorlatilag a végtelenségig folytatódjon.”

Döbbenetes eredmény, de az idáig vezető út messze nem volt egy sétagalopp. Chun-Chia Chen, a tanulmány vezető szerzője így emlékezett vissza:

„Már 2012-ben, amikor a csapat még Innsbruckban dolgozott, kifejlesztettünk egy módszert, amellyel meg tudtuk védeni a Bose–Einstein-kondenzátumot a lézerhűtés fényének zavaró hatásaitól. Ez tette először lehetővé, hogy az atomokat a koherens hullámok létrehozásához szükséges, úgynevezett degenerált állapotig hűtsük. De ahhoz, hogy tovább léphessünk, teljesen új berendezésre volt szükség. 2013-ban Amszterdamba költöztünk, és mindent a nulláról kezdtünk – kölcsönökkel, egy üres szobával és egy kizárólag személyes támogatásokból finanszírozott csapattal. Hat év kitartó munka után, 2019 karácsony reggelén, egy extra lézersugár bevezetésével végre sikerült megfigyelnünk az első folyamatos Bose–Einstein-kondenzátumot.”

A következő cél egy stabil, megszakítás nélküli anyagnyaláb létrehozása. Ha ez sikerül, az atomlézerek forradalmasíthatják a kvantumszimulációt, a nagy pontosságú méréstechnikát és az érzékelőrendszereket.

Bár még sok munka vár a kutatókra, ez az eredmény óriási lépést jelent az olyan eszközök felé, amelyek korlátlanul képesek koherens anyaghullámokat előállítani.

A kutatás eredményeit a Nature folyóiratban publikálták.

(Kép: A kísérlet központi része, ahol a koherens anyaghullámok létrejönnek, forrás: University of Amsterdam)