Wyobraź sobie, że patrzysz na szybkiego, ale delikatnego motyla. Chociaż trzepocze, raczej trudno jest go szczegółowo przestudiować, więc musisz go podnieść. Ale gdy tylko znalazł się w twoich dłoniach, skrzydła zgniotły się i straciły kolor. Po prostu motyl jest zbyt wrażliwy, a każdy wpływ, jaki wywrzesz, zmieni jego wygląd.
Teraz wyobraź sobie motyla, który jednym spojrzeniem zmienia swój wygląd. Tak zachowują się pojedyncze elektrony w ciele stałym. Gdy tylko naukowcy „spojrzą” na elektron, jego stan już różni się od oryginału. Fakt ten znacznie komplikuje badanie fizyki ciała stałego - dziedziny nauki, która opisuje właściwości ciał stałych (wszystkich substancji o sieci krystalicznej) w zakresie ich budowy atomowej. Stworzenie komputerów, telefonów i wielu innych urządzeń, bez których nie wyobrażamy sobie życia, to zasługa tej gałęzi nauki.
Jeśli elektronów nie da się „zobaczyć”, należy je zastąpić czymś większym - zdecydowali naukowcy. Kandydaci na miejsce elektronów muszą zachować swoje właściwości w taki sposób, aby równania opisujące procesy w bryle pozostały niezmienione. Rolę tę pełnią atomy w bardzo niskich temperaturach. W świecie fizycznym temperatura jest analogiczna do energii: im jest niższa, tym obiekt staje się bardziej nieruchomy. W temperaturze pokojowej atom tlenu w powietrzu porusza się z prędkością kilkuset metrów na sekundę, ale im niższa temperatura, tym wolniejsza prędkość. Uważa się, że minimalna temperatura w naszym świecie wynosi zero stopni Kelvina lub minus 273,15 ° C.
Porównanie zachowania atomów w ciele stałym w temperaturze pokojowej i atomów w ultraniskich temperaturach / Ilustracja RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrasne atomy są schładzane do mikrokelwina, a nawet mniej, gdy prędkość ruchu wynosi zaledwie kilka centymetrów na sekundę.
Z takich atomów i sieci optycznej naukowcy stworzyli sztuczny kryształ o strukturze podobnej do naturalnych ciał stałych. Sama sieć optyczna, która przyjmuje rolę sieci atomowej ciała stałego, jest tworzona za pomocą laserów, których promienie przecinają się pod określonymi kątami. Kontrolując położenie laserów i ich moc, można w sposób ciągły zmieniać geometrię sieci, a nakładając dodatkowe pole, zmieniać oddziaływanie „elektronów” z odpychającej na atrakcyjną.
Tak artysta wyobraża sobie sztuczną siatkę kryształową / Ilustracja autorstwa RIA Novosti. A. Polyanina
Ale aby przeprowadzić eksperymenty, konieczne jest kontrolowanie ruchu elektronów. Są podatne na działanie pól elektrycznych i magnetycznych, ponieważ mają ładunek. Atomy zastępujące elektrony w sztucznym krysztale są obojętne, dlatego konieczne było wymyślenie zamiennika siły, która je kontroluje. Pole elektryczne zostało z powodzeniem zastąpione grawitacją, która odpowiada za prostoliniowy ruch elektronu. Jednak elektrony w polu magnetycznym skręcają się, ich trajektorię można określić jako spiralę. Dlatego naukowcy stworzyli syntetyczne pole magnetyczne, które ma taki sam wpływ na poruszające się atomy, jak rzeczywiste pole magnetyczne, co jest głównym warunkiem badania podstawowych praw.
Film promocyjny:
Schemat ruchu elektronów w polu elektromagnetycznym / Fotolia / Peter Hermes Furian
W ten sposób fizycy mogli badać właściwości dowolnych ciał stałych (metali, półprzewodników, dielektryków), eksperymentować z nimi i dowolnie je zmieniać. Okazuje się, że naukowcy stworzyli pewnego „konstruktora” - system, który symuluje właściwości kwantowego świata elektronów, ale w przeciwieństwie do niego jest łatwo dostępny do badań.
Inne układy można złożyć z „konstruktora kwantowego”, w tym te, które nie istnieją w naturze. Na przykład wszystkie cząstki elementarne są podzielone na bozony i fermiony. Bozony mają całkowitą liczbę spinową, a fermiony mają liczbę połówkową. Za pomocą izotopów atomów można przekształcić elektrony w omawianym wyżej sztucznym ciele z fermionów w bozony.
„Oprócz problemów fizyki ciała stałego konstruktory kwantowe oparte na zimnych atomach mogą być wykorzystywane do rozwiązywania problemów z innych dziedzin, np. Fizyki cząstek elementarnych” - wyjaśnia kierownik laboratorium teorii procesów nieliniowych w Instytucie Fizyki SB RAS i profesor Zakładu Fizyki Teoretycznej na Syberyjskim Uniwersytecie Federalnym. Doktor fizyki i matematyki Andrey Kolovsky. - Oddziaływanie między cząstkami elementarnymi odbywa się za pośrednictwem tak zwanych pól cechowania. Znane nam ze szkoły pole elektromagnetyczne, odpowiedzialne za oddziaływanie ładunków, jest szczególnym przypadkiem pól miernikowych. Zasadniczo można modelować pola inne niż pola elektromagnetyczne, a takie badania są już w toku. Innym obszarem jest astrofizyka, w której naukowcy wykorzystując zimne atomy,symulować termodynamikę czarnych dziur”.
Takich konstruktorów można również używać do składania komputerów kwantowych, przy pomocy których wygodnie jest badać teleportację cząstek kwantowych.
A także spójrz w odległą przyszłość, 20-40 miliardów lat naprzód, ponieważ Wszechświat stale się rozszerza i zgodnie z prawami termodynamiki jego temperatura stopniowo spada. Z czasem ostygnie do nanokelwinów, a dzięki symulatorom kwantowym będziemy mogli już teraz obserwować jego stan.