Plyny, které se nesmíchají

Z běžné zkušenosti víme, že plyny nemají pevný tvar ani objem. Jejich částice netvoří souvislé struktury, dají se proto navzájem míchat, jsou prostupné. Po posledním vydařeném kousku fyziků z MIT ale budeme muset připustit, že zde existují jisté výjimky. Fyzikové totiž vytvořili dva oddělené shluky plynu, které měly některé vlastnosti pevných těles. Fyzikové z MIT si pro svůj pokus připravili dva speciální shluky vysoce podchlazeného a řídkého plynu. Jeho hustota činila zhruba jednu miliontinu hustoty běžného vzduchu kolem nás, tedy vzduchu za normálního atmosférického tlaku. Tyto shluky se pak ukázaly jako nepromísitelné, naopak se navzájem odpuzovaly a odrážely jako kulečníkové koule - zůstávaly od sebe prostorově oddělené.

Plyn, který v nich byl obsažen, byl vytvořen na základě par atomů izotopu lithia. Atomy se zde chovaly jako částice z kategorie tzv. fermionů, tedy např. jako elektrony, protony či neutrony. Všechny základní stavební částice látek, které vytvářejí struktury, do této kategorie patří. Při ochlazení na teplotu blízkou absolutní nule (konkrétně 50 miliardtin Kelvina) se pak mezi atomy začaly projevovat velmi silné kvantově mechanické síly, které se podobají např. silám uvnitř tzv. degenerovaného plynu, který najdeme např. v nitru neutronových hvězd. Podobnému modelu odpovídá např. i kvark gluonové plazma, které vzniklo těsně po velkém třesku nebo struktura vysokoteplotních supravodičů. Částice se za těchto podmínek nepohybují zcela volně jako normální plyn, ale jejich polohy a dynamika jsou podřízeny silným vzájemným vazbám a interakcím.

Podchlazené lithiové atomy byly od sebe následně odděleny pomocí magnetického pole. Tím došlo k jejich dokonalé separaci podle opačně orientovaných magnetických momentů. Vznikly tak dva shluky atomů se zcela odlišnými stavy. Tyto shluky se poté vědci pokusili smíchat v určité pasti, která byla vytvořena laserovým světlem. Stal se ale naprostý opak - oba shluky, které poslali proti sobě, se od sebe odrazily a vytrvale se odpuzovaly.

Dělo se tak po dobu minimálně jedné sekundy, což je v oblasti molekulárních a atomárních jevů celá věčnost. Poté sice došlo ke vzájemnému promísení atomů pomocí difúze, avšak důvodem promísení bylo, že se nepodařilo udržet všechny podmínky experimentu déle - do systému pronikla tepelná energie.

Vědci doufají, že pomocí plynů podobných vlastností budou moci simulovat např. skupinové chování elektronů ve vysokoteplotních supravodičích. Pro tento účel bude třeba donutit podchlazené lithiové atomy k pohybu v tenké, prakticky dvojrozměrné vrstvě.