Zamislite da gledate brzog, ali krhkog leptira. Dok leprša, prilično je teško detaljno ga proučiti, pa ga morate pokupiti. Ali čim vam je to bilo na dlanovima, krila su se zgužvala i izgubila boju. Samo je leptir previše ranjiv, a svaki utjecaj koji će imati promijenit će njegov izgled.
Zamislite leptira koji iz jednog pogleda mijenja izgled. Tako se ponašaju pojedinačni elektroni u krutini. Čim znanstvenici "pogledaju" elektron, njegovo se stanje već razlikuje od izvornog. Ova činjenica značajno komplicira proučavanje fizike čvrstog stanja - znanstveno polje koje opisuje svojstva krutih tvari (svih tvari s kristalnom rešetkom) u smislu njihove atomske strukture. Stvaranje računala, telefona i mnogih drugih uređaja bez kojih ne možemo zamisliti život, zasluga je ove grane znanosti.
Ako se elektroni ne mogu "vidjeti", moraju ih zamijeniti nečim većim, odlučili su znanstvenici. Kandidati za mjesto elektrona moraju sačuvati svoja svojstva na način da jednadžbe koje opisuju procese u krutini ostaju nepromijenjene. Atomi na ultra-niskim temperaturama došli su do ove uloge. U fizičkom svijetu temperatura je analogna energiji: što je niža, objekt postaje nepomičniji. Na sobnoj temperaturi atom kisika u zraku kreće se brzinom od nekoliko stotina metara u sekundi, ali što je niža temperatura, to je njegova brzina sporija. Najniža temperatura u našem svijetu smatra se nula stupnjeva Kelvina, ili minus 273,15 ° C.
Usporedba ponašanja atoma u krutini na sobnoj temperaturi i atoma pri najnižim temperaturama / Ilustracija RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrahladni atomi se hlade na mikrokelvin ili manje, gdje je brzina kretanja samo nekoliko centimetara u sekundi.
Iz takvih atoma i optičke rešetke, znanstvenici su stvorili umjetni kristal sličan u strukturi prirodnim krutinama. Sama optička rešetka, koja preuzima ulogu atomske rešetke krutine, stvorena je pomoću lasera čije se zrake presijecaju pod određenim kutovima. Kontrolirajući položaj lasera i njihovu snagu, može se kontinuirano mijenjati geometrija rešetke i nametanjem dodatnog polja prebacivanje interakcije između "elektrona" s odbijajućeg na atraktivno.
Ovako umjetnik zamišlja rešetku od umjetnog kristala / Ilustracija RIA Novosti. A. Polyanina
Ali za provođenje eksperimenata potrebno je kontrolirati kretanje elektrona. Osjetljivi su na električna i magnetska polja jer imaju naboj. Atomi koji zamjenjuju elektrone u umjetnom kristalu su neutralni, pa je bilo potrebno smisliti silu koja ih upravlja. Električno polje uspješno je zamijenjeno gravitacijom, koja je odgovorna za pravocrtno gibanje elektrona. Međutim, elektroni u magnetskom polju se okreću, njihova putanja se može opisati kao spirala. Stoga su istraživači stvorili sintetičko magnetsko polje koje ima isti učinak na pomične atome kao pravo magnetsko polje, što je glavni uvjet za proučavanje osnovnih zakona.
Promotivni video:
Dijagram kretanja elektrona u elektromagnetskom polju / Fotolia / Peter Hermes Furian
Tako su fizičari mogli proučavati svojstva bilo koje krute tvari (metala, poluvodiča, dielektrika), eksperimentirati s njima i mijenjati ih po volji. Ispada da su znanstvenici stvorili određeni "konstruktor" - sustav koji simulira svojstva kvantnog svijeta elektrona, ali, za razliku od njega, lako je dostupan za istraživanje.
Iz "kvantnog konstruktora" mogu se sastaviti drugi sustavi, uključujući i one koji ne postoje u prirodi. Primjerice, sve elementarne čestice dijele se na bozone i fermione. Bozoni imaju cijeli broj spina, a fermioni polu-cijeli broj. Pomoću izotopa atoma, moguće je pretvoriti elektrone u umjetnu krutinu o kojoj je gore riječ iz fermiona u bozone.
"Osim problema fizike čvrstog stanja, kvantni konstruktori zasnovani na hladnim atomima mogu se koristiti za rješavanje problema iz drugih područja, na primjer, fizike elementarnih čestica", objašnjava glavni istraživač laboratorija teorije nelinearnih procesa na Institutu za fiziku SB RAS-a i profesor Odjela za teorijsku fiziku Sibirskog federalnog sveučilišta, Doktor fizike i matematike Andrey Kolovsky. - Interakcija između elementarnih čestica provodi se kroz takozvana mjerna polja. Elektromagnetsko polje poznato u školi koje je odgovorno za interakciju između naboja poseban je slučaj mjeračkih polja. U principu se mogu modelirati i druga polja osim elektromagnetskih polja, a takve su studije već u tijeku. Drugo područje je astrofizika, gdje znanstvenici, koristeći hladne atome,simuliraju termodinamiku crnih rupa”.
Takvi se konstruktori mogu koristiti i za sastavljanje kvantnih računala, uz pomoć kojih je prikladno proučiti teleportaciju kvantnih čestica.
I pogledajte u daleku budućnost, 20-40 milijardi godina unaprijed, jer se Svemir neprestano širi i, prema zakonima termodinamike, njegova temperatura postepeno pada. S vremenom će se ohladiti do nanokelvina, a zahvaljujući kvantnim simulatorima moći ćemo odmah promatrati njegovo stanje.