Se for deg å se på en rask, men skjør sommerfugl. Mens det flagrer, er det ganske vanskelig å studere det i detalj, så du må hente det. Men så snart det var i håndflatene dine, falt vingene sammen og mistet fargen. Det er bare at sommerfuglen er for sårbar, og enhver innvirkning du har vil endre utseendet.
Forestill deg en sommerfugl som endrer utseendet fra ett øyeblikk. Dette er hvordan enkeltelektroner oppfører seg i et fast stoff. Så snart forskere "ser" på et elektron, er tilstanden allerede forskjellig fra originalen. Dette faktum kompliserer studiet av faststofffysikk betydelig - et vitenskapsfelt som beskriver egenskapene til faste stoffer (alle stoffer med krystallgitter) når det gjelder deres atomstruktur. Opprettelsen av datamaskiner, telefoner og mange andre enheter, som vi ikke kan forestille oss liv uten, er fortjenesten til denne vitenskapsgrenen.
Hvis elektronene ikke kan "sees", må de erstattes med noe større, bestemte forskerne. Kandidater til stedet for elektronene må bevare egenskapene sine på en slik måte at ligningene som beskriver prosesser i et fast stoff forblir uendret. Atomer ved ultra-lave temperaturer har kommet til denne rollen. I den fysiske verden er temperaturen analog med energi: jo lavere den er, jo mer bevegelsesløs blir objektet. Ved romtemperatur beveger seg et oksygenatom i lufta med en hastighet på flere hundre meter per sekund, men jo lavere temperaturen er, desto langsommere er hastigheten. Minimumstemperaturen i vår verden anses å være null grader Kelvin, eller minus 273,15 ° C.
Sammenligning av atomenes atferd i et fast stoff ved romtemperatur og atomer ved ultralowstemperaturer / Illustrasjon av RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrakalte atomer avkjøles til mikrokelvin eller mindre, der bevegelseshastigheten bare er noen få centimeter per sekund.
Fra slike atomer og et optisk gitter har forskere laget en kunstig krystall som er strukturell lik naturlige faste stoffer. Det veldig optiske gitteret, som tar på seg rollen som atomgitteret til et fast stoff, er laget ved hjelp av lasere hvis stråler skjærer hverandre i bestemte vinkler. Ved å kontrollere laserenes plassering og deres kraft, kan man kontinuerlig endre geometrien til gitteret, og ved å pålegge et ekstra felt, bytte samspillet mellom "elektronene" fra frastøtende til attraktive.
Slik forestiller kunstneren et kunstig krystallgitter / Illustrasjon av RIA Novosti. A. Polyanina
Men for å utføre eksperimenter, er det nødvendig å kontrollere bevegelsen av elektroner. De er mottakelige for elektriske og magnetiske felt fordi de har en ladning. Atomene som erstatter elektronene i en kunstig krystall er nøytrale, så det var nødvendig å komme med en erstatning for styrken som kontrollerer dem. Det elektriske feltet er vellykket erstattet av tyngdekraften, som er ansvarlig for den rettlinjede bevegelsen til elektronet. Imidlertid, elektroner i et magnetfelt vrir seg, kan deres bane beskrives som en spiral. Derfor har forskere laget et syntetisk magnetfelt som har samme effekt på bevegelige atomer som et reelt magnetfelt, som er hovedbetingelsen for å studere grunnleggende lover.
Salgsfremmende video:
Diagram over bevegelse av elektroner i et elektromagnetisk felt / Fotolia / Peter Hermes Furian
Dermed var fysikere i stand til å studere egenskapene til eventuelle faste stoffer (metaller, halvledere, dielektrika), eksperimentere med dem og endre dem når du vil. Det viser seg at forskere har laget en slags "designer" - et system som simulerer egenskapene til kvanteverdenen til elektron, men i motsetning til den er lett tilgjengelig for forskning.
Andre systemer kan settes sammen fra "kvantekonstruktøren", inkludert de som ikke eksisterer i naturen. For eksempel er alle elementære partikler delt inn i bosoner og fermioner. Bosoner har et helt tallspinnnummer, og fermioner har et halvt heltall. Ved å bruke isotoper av atomer er det mulig å konvertere elektroner i det kunstige faste stoffet som er diskutert over fra fermioner til bosoner.
"I tillegg til problemene med faststofffysikk, kan kvantekonstruktører basert på kalde atomer brukes til å løse problemer fra andre områder, for eksempel elementær partikkelfysikk," forklarer hovedforskeren ved laboratoriet for teorien om ikke-lineære prosesser ved Institute of Physics of the SB RAS og professor ved Institutt for teoretisk fysikk ved Siberian Federal University, Doktor i fysikk og matematikk Andrey Kolovsky. - Samspillet mellom elementære partikler gjennomføres gjennom de såkalte målefeltene. Det elektromagnetiske feltet som er kjent fra skolen, og som er ansvarlig for samspillet mellom ladningene, er et spesielt tilfelle av målefelt. I prinsippet kan andre felt enn elektromagnetiske felt modelleres, og slike studier er allerede i gang. Et annet område er astrofysikk, der forskere bruker kalde atomer,simulere termodynamikken til sorte hull”.
Slike konstruktører kan også brukes til å sette sammen kvantedatamaskiner, ved hjelp av det det er praktisk å studere teleportering av kvantepartikler.
Og se også på den fjerne fremtiden, 20-40 milliarder år fremover, fordi universet stadig utvides og i henhold til lovene for termodynamikk synker temperaturen gradvis. Over tid vil den kjøle seg ned til nanokelvins, og takket være kvantesimulatorer vil vi kunne observere tilstanden akkurat nå.
