Imaginați-vă că priviți un fluture rapid, dar fragil. În timp ce plutește, este destul de dificil să îl studiezi în detaliu, așa că trebuie să-l ridici. Dar de îndată ce a fost în palmele tale, aripile s-au sfâșiat și și-au pierdut culoarea. Doar că fluturele este prea vulnerabil, iar orice impact pe care îl aveți își va schimba aspectul.
Acum imaginați-vă un fluture care își schimbă aspectul dintr-o singură privire. Așa se comportă electronii singuri într-un solid. De îndată ce oamenii de știință „se uită” la un electron, starea sa este deja diferită de original. Acest fapt complică în mod semnificativ studiul fizicii în stare solidă - un câmp al științei care descrie proprietățile solidelor (toate substanțele cu o grilă de cristal) în ceea ce privește structura lor atomică. Crearea de computere, telefoane și multe alte dispozitive, fără de care nu ne putem imagina viața, este meritul acestei ramuri a științei.
Dacă electronii nu pot fi „văzuți”, ei trebuie înlocuiți cu ceva mai mare, au decis oamenii de știință. Candidații pentru locul electronilor trebuie să-și păstreze proprietățile astfel încât ecuațiile care descriu procesele într-un solid să rămână neschimbate. Acest rol a atomi la temperaturi ultra-scăzute. În lumea fizică, temperatura este analogă cu energia: cu cât este mai mică, cu atât obiectul devine mai nemișcat. La temperatura camerei, un atom de oxigen în aer se deplasează cu o viteză de câteva sute de metri pe secundă, dar cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai lentă viteza acestuia. Temperatura minimă din lumea noastră este considerată zero grade Kelvin, sau minus 273,15 ° C.
Compararea comportamentului atomilor într-un solid la temperatura camerei și a atomilor la temperaturi ultralow / Ilustrație de RIA Novosti. A. Polyanina
Atomii ultracold sunt răciți la microkelvin sau mai puțin, unde viteza de mișcare este de doar câțiva centimetri pe secundă.
Din astfel de atomi și o grilă optică, oamenii de știință au creat un cristal artificial similar în structură cu solidele naturale. Starea foarte optică, care are rolul de zăbrele atomice a unui solid, este creată folosind lasere ale căror raze se intersectează în unghi specificat. Prin controlul poziției laserelor și a puterii acestora, se poate schimba continuu geometria zăbrelei și, prin impunerea unui câmp suplimentar, trecerea interacțiunii dintre „electroni” de la repulsiv la atractiv.
Așa își imaginează artistul o rețea de cristal artificial / Ilustrație de RIA Novosti. A. Polyanina
Dar pentru a efectua experimente, este necesar să controlați mișcarea electronilor. Sunt susceptibili la câmpuri electrice și magnetice, deoarece au o încărcare. Atomii care înlocuiesc electronii într-un cristal artificial sunt neutri, de aceea a fost necesar să se înlocuiască forța care îi controlează. Câmpul electric a fost înlocuit cu succes de gravitație, care este responsabil pentru mișcarea rectilinie a electronului. Cu toate acestea, electronii într-un câmp magnetic răsucesc, traiectoria lor poate fi descrisă ca o spirală. Prin urmare, cercetătorii au creat un câmp magnetic sintetic care are același efect asupra mișcării atomilor ca un câmp magnetic real, care este condiția principală pentru studierea legilor fundamentale.
Video promotional:
Diagrama mișcării electronilor într-un câmp electromagnetic / Fotolia / Peter Hermes Furian
Astfel, fizicienii au putut studia proprietățile oricăror solide (metale, semiconductori, dielectrici), să experimenteze cu ele și să le schimbe după bunul plac. Se pare că oamenii de știință au creat un anumit „constructor” - un sistem care simulează proprietățile lumii cuantice a electronilor, dar, spre deosebire de acesta, este ușor accesibil pentru cercetare.
Alte sisteme pot fi asamblate de la „constructorul cuantic”, inclusiv cele care nu există în natură. De exemplu, toate particulele elementare sunt împărțite în bosoni și fermioni. Bosonii au un număr rotativ întreg, iar fermionii au o jumătate întreagă. Folosind izotopi de atomi, este posibil să se transforme electroni în solidul artificial discutat mai sus de la fermioni în bosoni.
„Pe lângă problemele fizicii în stare solidă, constructorii cuantici bazați pe atomii reci pot fi folosiți pentru a rezolva probleme din alte domenii, de exemplu, fizica elementară a particulelor”, explică cercetătorul șef al laboratorului de teorie a proceselor neliniare de la Institutul de Fizică al RAS SB și profesor al Departamentului de Fizică Teoretică din cadrul Universității Federale Siberiene, Doctor în fizică și matematică Andrey Kolovsky. - Interacțiunea dintre particulele elementare se realizează prin așa-numitele câmpuri de ecartament. Câmpul electromagnetic cunoscut de la școală, responsabil pentru interacțiunea dintre sarcini, este un caz special al câmpurilor de calibru. În principiu, alte câmpuri decât câmpurile electromagnetice pot fi modelate și astfel de studii sunt deja în curs. O altă zonă este astrofizica, unde oamenii de știință, folosind atomi reci,simulați termodinamica găurilor negre”.
Astfel de constructori pot fi folosiți și pentru asamblarea calculatoarelor cuantice, cu ajutorul cărora este convenabil să se studieze teleportarea particulelor cuantice.
Și, de asemenea, priviți spre viitorul îndepărtat, cu 20-40 de miliarde de ani înainte, deoarece Universul este în continuă expansiune și, în conformitate cu legile termodinamicii, temperatura lui scade treptat. În timp, se va răci până la nanokelvins și, datorită simulatoarelor cuantice, vom putea observa starea acesteia chiar acum.
