Ett moget äpple som faller från ett träd har inspirerat Sir Isaac Newton att formulera en teori som beskriver rörelsen hos föremål som utsätts för en kraft. Newtons rörelseekvationer berättar att en rörlig kropp fortsätter att röra sig på en rak linje om inte någon störande kraft kan förändra dess väg. Effekten av Newtons lagar är allestädes närvarande i vår vardagliga upplevelse, allt från en fallskärmshoppare som faller i jordens gravitationsfält, över trögheten känner man i ett accelererande flygplan, till jorden som kretsar runt solen.

I kvantvärlden, dock, vår intuition för föremålens rörelse utmanas starkt och kan ibland till och med helt misslyckas. Vad sägs om att föreställa sig en marmor som faller genom vatten som pendlar upp och ner snarare än att bara röra sig rakt nedåt? Låter konstigt. Än, det är vad experimentell fysiker från Innsbruck i samarbete med teoretiker från München, Paris och Cambridge har upptäckt för en kvantpartikel. Kärnan i detta överraskande beteende är vad fysiker kallar 'kvantinterferens', det faktum att kvantmekaniken tillåter partiklar att bete sig som vågor, som kan lägga till eller avbryta varandra.

Närmar sig absolut noll temperatur

För att observera den kvantpartikel som pendlade fram och tillbaka var laget tvunget att kyla en gas av cesiumatomer strax över den absoluta nolltemperaturen och begränsa den till ett arrangemang av mycket tunna rör som realiserades av kraftfulla laserstrålar. Med ett speciellt trick, atomerna gjordes för att interagera starkt med varandra. Vid sådana extrema förhållanden bildar atomerna en kvantvätska vars rörelse är begränsad till rörens riktning. Fysikerna accelererade sedan en föroreningsatom, som är en atom i ett annat spinntillstånd, genom gasen. När denna kvantpartikel rörde sig, det observerades sprida av gaspartiklarna och reflektera bakåt. Detta ledde till en oscillerande rörelse, i motsats till vad en marmor skulle göra när den faller i vatten. Experimentet visar att Newtons lagar inte kan användas inom kvantområdet.

Kvantvätskor fungerar ibland som kristaller

Det faktum att en kvantvåg kan reflekteras i vissa riktningar har varit känt sedan början av utvecklingen av teorin om kvantmekanik. Till exempel, elektroner reflekterar vid det vanliga kristallmönstret, som en metallbit. Denna effekt kallas 'Bragg-scattering'. Dock, överraskningen i experimentet som utfördes i Innsbruck var att det inte fanns någon sådan kristall för att orenheten skulle reflektera. Istället, det var själva gasen av atomer som gav en typ av dold ordning i sitt arrangemang, en egenskap som fysiker dubbar 'korrelationer'. Innsbruck-arbetet har visat hur dessa korrelationer i kombination med materiens våg-natur bestämmer partiklarnas rörelse i kvantvärlden och leder till nya och spännande fenomen som motverkar erfarenheterna från vårt dagliga liv.

Att förstå kvantmekanikens märklighet kan också vara relevant i ett bredare omfång, och hjälpa till att förstå och optimera grundläggande processer inom elektronikkomponenter, eller till och med transportprocesser i komplexa biologiska system.

Studien publiceras i tidskriften Vetenskap .