Hladni fermioni drže udaljenost jedni od drugih

Hladni a.k.a. Swana - Evolucija (2008 - 2018) (Srpanj 2019).

Anonim

Danas, kvantni optički eksperimenti pružaju metode za dokazivanje pravila koja su mislila i utisnuta u elegantne matematičke jednadžbe u one dane. U tom pogledu, znanstvenici iz kvantnog multi-body odjela profesora Immanuel Bloch na Max Planck institutu za kvantnu optiku napravili su veliki korak naprijed.

Mikrosociodom upravljaju vlastiti zakoni - pravila kvantne mehanike. Oni opisuju, na primjer, statističko ponašanje elementarnih čestica. Elektroni i svi ostali sastojci atoma pripadaju skupini fermiona koji nikada ne smiju dijeliti identične kvantne brojeve. Ovaj "princip isključivanja" formulirao je austrijski fizičar Wolfgang Pauli 1925. godine kako bi objasnio strukturu i stabilnost atoma. Danas, kvantni optički eksperimenti pružaju metode za dokazivanje pravila koja su mislila i utisnuta u elegantne matematičke jednadžbe u one dane. U tom pogledu, znanstvenici iz kvantnog multi-body odjela profesora Immanuel Bloch na Max Planck institutu za kvantnu optiku napravili su veliki korak naprijed.

Tim oko voditelja projekta Dr. Christian Groß pokazao je prvo izravno promatranje "Pauli blokiranja", posljedica načela isključenja. U tu svrhu ohladili su oblak fermionskog litija-6 atoma do ekstremno niskih temperatura i napunili čestice u optičku rešetku. Budući da identični fermioni ne smiju zauzeti istu mrežu rešetke, svaki atom treba pronaći svoje mjesto. To je upravo ono što je uočeno u eksperimentu uz pomoć kvantnog plinskog mikroskopa koji prikazuje atome s jednostrukom česticom na jednom mjestu. "Naš uspjeh je rezultat prilagodbe naših metoda hlađenja i slikanja koje su razvijene za bozone, prema potrebama fermiona", objašnjava Christian Groß. "Naš rad otvara novi put za proučavanje kvantnih korelacija u fermionskoj kvantnoj materiji ili bolje razumijevanje fenomena poput kvantnog magnetizma i supravodljivosti."

Kvantna statistika razlikuje dvije temeljno različite vrste čestica. Postoje, s jedne strane, "društveni" bozoni koji se kondenziraju u jednom kvantnom stanju na nultoj temperaturi. S druge strane, postoje "osamljeni" fermioni za koje je zabranjeno višestruko okupljanje jedne države. U svom radu s hladnim kvantnim plinovima znanstvenici imaju slobodan izbor: čestice s cijelim brojem okretaja su bosoni, dok se fermioni karakteriziraju njihovim polu-cjelovitim centrifugiranjem. Dakle, kakvu statistiku, tj. Kakvo "društveno ponašanje" koje atomi slušaju ovisi o ukupnom broju njihovih elektrona, protona i neutrona. Ako je cilj simulirati ponašanje elektrona u čvrstom kristalu s atomima u optičkim rešetkama, fermioni su, naravno, bolja aproksimacija. Međutim, u većini eksperimenata, do sada su znanstvenici koristili čestice bakterije jer je iz nekog razloga puno teže donijeti fermiona do niskih temperatura.

Sada, kombinirajući učinkovite metode hlađenja s visokom preciznom detekcijom, tim oko dr. Christian Groß je preuzeo tu prepreku u eksperimentu s fermionskim litij-6 atoma. U početku se atomi ohlade i uhvaćeni u zamku dipolova. Primjenom nekoliko svjetlosnih polja znanstvenici dobivaju jednu avion s nekoliko stotina atoma. Sada se postavlja optička rešetka - stvorena ometanjem laserskih zraka. Ova rešetka definira "kristalnu geometriju", tj. Mjesta na kojima se atomi mogu smjestiti.

Najvažniji i novi korak bio je, međutim, modifikacija mikroskopa kvantnog plina razvijenog prije nekoliko godina u Bloch grupi. Znanstvenici su primijenili poseban način hlađenja, izvorno razvijen za hlađenje iona, na fermione u optičkoj rešetki. Ovdje kvantno mehaničko osciliranje stanja jednog atoma u rešetkastoj boji se manipulira na takav način da se atomi pomiču u najniže stanje, uz nižu temperaturu.

Istodobno se fotoni raspršuju na atomima, uzrokujući njihovo osvjetljenje poput sitnih nano svjetiljki koje se mogu promatrati pojedinačno. Objektiv visoke razlučivosti objektivno prikazuje atome odjednom, tako da se fotografira fotografska snimka atomskog plina. Mjerenja pokazuju prilično ravnu raspodjelu u središtu zamke, s jednim atomom po mjestu rešetke. "Važno je da se ta distribucija javlja samo kao rezultat kvantne statistike - tj. Blokiranja Paulija", ističe Ahmed Omran, doktorski kandidat na eksperimentu. "Identične fermione odbijaju se, nema drugih interakcija na poslu".

Zbog redovitog reda atoma u krutom stanju kristala, razina energije elektrona podijeljena je u "vrpce" bliskih susjednih država. Ako je najveći takozvani valentni pojas potpuno zauzet, elektroni se ne mogu pomicati, stoga je materijal izolator. Kvantno stanje fermionskog litijevog sustava dobivenog u eksperimentu predstavlja analogni tom stanju: Paulijev princip dovodi do potpuno zauzete valentne vrpce, tj. Za suzbijanje provodljivosti koja se očituje snažnim supresijom detekcije fluktuacija broja čestica s kvantnim plinskim mikroskopom.

Nova tehnika nudi niz novih mogućnosti za daljnje eksperimente s kvantnim sustavima mnogih tijela od fermionnih atoma. Na primjer, izmjene metode omogućit će manipulaciju čak i jednim fermionima u sustavima, što dovodi do nižih temperatura. Tu se očekuje novi antiferromagnetski poredak koji bi trebao biti detektiran i karakteriziran kvantnim plinskim mikroskopom. Antiferromagnetizam je široko razmatran kandidat za objašnjenje temeljnih fenomena u supravodljivosti.

menu
menu