Polacy zbudowali maszynę, jakiej nie ma nikt inny. Pomoże odkryć życie w kosmosie
Kiedy słyszymy o przełomach w fizyce kwantowej, przed oczami stają nam najczęściej gigantyczne laboratoria w Stanach Zjednoczonych albo szwajcarski CERN. Tymczasem najnowszy numer prestiżowego magazynu Nature Physics rozpisuje się o urządzeniu, które od deski do deski powstało w Toruniu.
Naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika skonstruowali aparaturę, która pozwala spojrzeć na mechanikę kwantową z zupełnie nowej perspektywy. I nie jest to sztuka dla sztuki, bo ich praca może nam dać odpowiedź na najważniejsze pytanie w historii ludzkości: czy jesteśmy sami we Wszechświecie.
Zespół profesora Piotra Wcisło z Instytutu Fizyki UMK dokonał czegoś, co do tej pory wymykało się badaczom na całym globie. Przez niemal dekadę konsekwentnie budowali zespół, ściągali finansowanie i projektowali sprzęt, który fizycznie nie istniał nigdzie indziej.
Efektem tych prac jest ekstremalnie czuły spektrometr. Na pierwszy rzut oka to technologia znana w świecie nauki, ale toruńscy fizycy wprowadzili ją w tak zwany głęboki reżim kriogeniczny. Oznacza to, że zeszli z temperaturą do poziomu 4 kelwinów, czyli okolic minus 269 stopni Celsjusza. To niemal zero absolutne.
Zamrozić atomy, by usłyszeć ich szept
Po co mrozić sprzęt do tak absurdalnych wartości? W świecie kwantów panuje ogromny chaos. Cząsteczki nieustannie się poruszają, a generowane przez nie sygnały są rozmyte przez efekt Dopplera. Kiedy jednak drastycznie obniżymy temperaturę, ten mikroskopijny ruch zwalnia.
Absorpcja staje się krystalicznie czysta, a widmo drastycznie się upraszcza. Ekstremalne zimno działa tu jak idealny filtr akustyczny na bardzo głośnym koncercie. Zamraża wszelkie gazowe zanieczyszczenia, pozwalając badaczom skupić się wyłącznie na tym, co chcą zmierzyć.
Samo urządzenie, ukryte w laboratorium przy ul. Grudziądzkiej w Toruniu, to prawdziwy majstersztyk inżynierii. Sercem układu jest wnęka optyczna zamknięta w niemal 80-centymetrowej miedzianej komorze próżniowej.
Komorę tę zawieszono na cienkich tytanowych elementach. Wszystko po to, by odciąć aparaturę od minimalnych drgań i zmian temperatury z zewnątrz. Wewnątrz tej pułapki światło lasera odbija się między potężnymi zwierciadłami, pokonując de facto dystans kilkunastu kilometrów.
Częstotliwość tego światła jest stabilizowana i porównywana z optycznym grzebieniem częstotliwości, a ten z kolei łączy się z maserem wodorowym. Przekładając to na ludzki język: Polacy stworzyli system, który mierzy właściwości cząsteczek, odnosząc je do jednego z najdokładniejszych zegarów atomowych na naszej planecie.
Więcej na Spider's Web:
Kwantowy taniec wodoru
Na pierwszy ogień w tym lodowatym środowisku poszła molekuła wodoru. Wybór nie był przypadkowy. To najprostsza możliwa cząsteczka, idealny poligon doświadczalny do testowania twardych zasad mechaniki i elektrodynamiki kwantowej.
Jak tłumaczy profesor Wcisło, mówimy tu o układzie czterech ciał: dwóch protonach i chmurze dwóch elektronów. W tym mikroskopijnym świecie nie ma miejsca na klasyczną fizykę ze szkolnych podręczników. Zamiast zwykłych obrotów i wibracji, mamy do czynienia z kwantowymi stanami, które mogą przyjmować tylko bardzo konkretne, dyskretne wartości energii.
Udało się przetestować teorię kwantową dla takiego układu na poziomie dokładności, jakiego nikt wcześniej nie osiągnął. Po raz pierwszy w historii przeprowadzono spektroskopię wnękową o tak gigantycznej rozdzielczości, w tak przeraźliwym zimnie i przy zachowaniu pełnej równowagi termicznej.
Największym wyzwaniem dla zespołu było bowiem nie tyle schłodzenie samego gazu, co utrzymanie w tej samej, lodowatej temperaturze całego sprzętu pomiarowego, z lustrami na czele, i odizolowanie go od wibracji agregatów chłodzących.
Cuda fizyki kwantowej
To jednak dopiero rozgrzewka, co wyraźnie zaznaczają sami twórcy. Publikacja w Nature Physics otwiera drzwi do badań, o których inne ośrodki naukowe mogą na razie tylko pomarzyć. Toruńska aparatura pozwoli na przeprowadzanie ultradokładnych testów w chemii kwantowej.
Badacze chcą sprawdzić, jak molekuły oddziałują na siebie i zderzają się w warunkach, w których do głosu dochodzą subtelne, wciąż nie do końca zrozumiałe efekty kwantowe. W skali mikro takie zderzenia przypominają raczej rozpraszanie się fal materii niż klasyczne uderzenia bilardowych kul.
Następnym obszarem, w którym technologia z Torunia może mieć wielkie znaczenie, jest rozwój wzorców Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI). Prof. Wcisło wyjaśnia, że choć mało osób o tym wie, w 2019 r. doszło do rewolucji w tym obszarze. Zmieniono sposób, w jaki definiowana jest większość jednostek SI. Określają je już nie fizyczne wzorce, jak np. metalowy cylinder przechowywany pod Paryżem (tzw. Międzynarodowy Prototyp Kilograma), lecz prawa fizyki i stałe fizyczne natury, np. kilogram definiuje dokładnie ustalona wartość stałej Plancka.
Na świecie trwa wyścig technologiczny o to, która grupa stworzy najdokładniejsze kwantowe wzorce tych jednostek SI. Rozwinięte przez nas technologie stawiają nas w uprzywilejowanej pozycji na kilku frontach tego wyścigu. Jednak zastosowania praktyczne naszych technologii są tylko "efektem ubocznym". Nasz cel to przesuwanie granic poznania, jak najgłębsze zrozumienie struktury rzeczywistości – dodaje prof. Wcisło.
Kosmiczne ambicje toruńskich fizyków
Najbardziej fascynujące wydają się jednak perspektywy astrofizyczne. Nie mniej ważnym projektem bazującym na technologiach kwantowych jest bowiem dostarczanie astronomom i astrofizykom danych molekularnych, niezbędnych do badania atmosfer planet, księżyców planetarnych i egzoplanet.
To jeden z najgorętszych tematów współczesnej nauki. Jak wygląda chemia poza naszym Układem Słonecznym? Czy istnieje biologia? Czy istnieje życie? Aby astronomowie mogli odpowiedzieć na te pytania, potrzebują twardych danych molekularnych, które powstają w takich laboratoriach jak nasze – mówi prof. Wcisło.
Teleskopy takie jak James Webb mogą wpatrywać się w ich atmosfery, ale żeby zrozumieć, co właściwie widzą, czy jest tam woda, specyficzna chemia, a może ślady procesów biologicznych, astronomowie potrzebują twardych danych z Ziemi. Tych danych, niezwykle precyzyjnych profili molekularnych, dostarczą im właśnie laboratoria podobne do tego na UMK.
To w całości polska technologia. Od śmiałego pomysłu, przez skomplikowane projektowanie i budowę, aż po końcowe pomiary. Toruński zespół udowadnia, że nie musimy mieć kompleksów, a polska nauka potrafi nie tylko teoretyzować, ale też budować hardware, który przesuwa granice ludzkiego poznania.
To ważne, bo w końcu nasz kraj zaczyna poważnie partycypować w rozwoju współczesnej nauki; nie tylko fizyka teoretyczna, ale też technologie i najbardziej zaawansowane układy eksperymentalne. Teraz pokazujemy, że można. Naszą ambicją jest, ażeby Toruń, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, nasz Instytut Fizyki na stałe zagościły w czołówce światowych liderów współczesnej fizyki kwantowej – mówi naukowiec.
W skład zespołu weszli: mgr Kamil Stankiewicz, mgr inż. Marcin Makowski, dr inż. Michał Słowiński, mgr inż. Kamil Leon Sołtys, mgr Bogdan Bednarski, dr Hubert Jóźwiak, dr Nikodem Stolarczyk, dr inż. Mateusz Narożnik, Dariusz Kierski, dr Szymon Wójtewicz, dr hab. Agata Cygan, prof. UMK, dr inż. Grzegorz Kowzan, dr hab. Piotr Masłowski, prof. UMK, dr hab. Mariusz Piwiński, prof. UMK, prof. dr hab. Daniel Lisak i prof. dr hab. Piotr Wcisło.
Głowna ilustracja: Prof. Piotr Wcisło i mgr inż. Kamil Sołtys w laboratorium w Instytucie Fizyki UMK. Fot. Andrzej Romański
