Představte si, že se díváte na rychlý, ale křehký motýl. I když se třepotá, je poměrně obtížné jej podrobně prostudovat, takže je musíte vyzvednout. Ale jakmile to bylo ve vašich dlaních, křídla se zmačkaly a ztratily barvu. Jde jen o to, že motýl je příliš zranitelný a jakýkoli dopad, který máte, změní jeho vzhled.
Nyní si představte motýla, který změní svůj vzhled z jednoho pohledu. Takto se jednotlivé elektrony chovají v pevné látce. Jakmile se vědci „podívají“na elektron, jeho stav se již liší od původního. Tato skutečnost výrazně komplikuje studium fyziky pevných látek - pole vědy, které popisuje vlastnosti pevných látek (všech látek s krystalovou mříží) z hlediska jejich atomové struktury. Předností tohoto odvětví vědy je vytvoření počítačů, telefonů a mnoha dalších zařízení, bez nichž si nedokážeme představit život.
Pokud nemohou být elektrony „vidět“, musí být nahrazeny něčím větším, rozhodli se vědci. Kandidáti na místo elektronů si musí zachovat své vlastnosti tak, aby rovnice popisující procesy v tělese zůstaly nezměněny. Atomy při velmi nízkých teplotách přišly k této roli. Ve fyzickém světě je teplota analogická energii: čím nižší je, tím více se objekt nepohybuje. Při pokojové teplotě se atom kyslíku ve vzduchu pohybuje rychlostí několika stovek metrů za sekundu, ale čím nižší je teplota, tím nižší je jeho rychlost. Minimální teplota v našem světě se považuje za nulovou teplotu Kelvina nebo mínus 273,15 ° C.
Porovnání chování atomů v pevné látce při pokojové teplotě a atomů při ultralehkých teplotách / Ilustrace RIA Novosti. A. Polyanina
Ultracold atomy jsou chlazeny na microkelvin nebo méně, kde rychlost pohybu je jen několik centimetrů za sekundu.
Z takových atomů a optické mříže vědci vytvořili umělý krystal podobný strukturou jako přírodní pevné látky. Velmi optická mříž, která přebírá roli atomové mřížky pevné látky, je vytvořena pomocí laserů, jejichž paprsky se protínají v určitých úhlech. Řídením polohy laserů a jejich energie lze nepřetržitě měnit geometrii mřížky a ukládáním dalšího pole přepínat interakci mezi „elektrony“z odpudivého na atraktivní.
Takto si umělec představuje umělou křišťálovou mříž / Ilustrace od RIA Novosti. A. Polyanina
K provádění experimentů je však nutné řídit pohyb elektronů. Jsou náchylní k elektrickým a magnetickým polím, protože mají náboj. Atomy nahrazující elektrony v umělém krystalu jsou neutrální, takže bylo nutné přijít s náhradou síly, která je ovládá. Elektrické pole bylo úspěšně nahrazeno gravitací, která je zodpovědná za přímočarý pohyb elektronu. Nicméně, elektrony v magnetickém poli se krouží, jejich trajektorii lze popsat jako spirálu. Vědci proto vytvořili syntetické magnetické pole, které má stejný účinek na pohybující se atomy jako skutečné magnetické pole, což je hlavní podmínka pro studium základních zákonů.
Propagační video:
Schéma pohybu elektronů v elektromagnetickém poli / Fotolia / Peter Hermes Furian
Fyzici tak mohli studovat vlastnosti jakýchkoli pevných látek (kovy, polovodiče, dielektrika), experimentovat s nimi a libovolně je měnit. Ukazuje se, že vědci vytvořili určitý „konstruktér“- systém, který simuluje vlastnosti kvantového světa elektronů, ale na rozdíl od něj je pro výzkum snadno přístupný.
Jiné systémy mohou být sestaveny z „kvantového konstruktoru“, včetně těch, které v přírodě neexistují. Například všechny elementární částice jsou rozděleny na bosony a fermiony. Bosoni mají celé číslo rotace a fermiony mají napůl celé číslo. Pomocí izotopů atomů je možné převést elektrony v umělé pevné látce diskutované výše z fermionů na bosony.
„Kromě problémů fyziky pevných látek lze kvantové konstruktéry založené na studených atomech použít také k řešení problémů z jiných oblastí, například fyziky elementárních částic,“vysvětluje hlavní výzkumný pracovník laboratoře teorie nelineárních procesů na Ústavu fyziky SB RAS a profesor Katedry teoretické fyziky na Sibiřské federální univerzitě, Doktor fyziky a matematiky Andrey Kolovsky. - Interakce mezi elementárními částicemi se provádí pomocí tzv. Měřicích polí. Elektromagnetické pole, které je nám známé ze školy a je odpovědné za interakci mezi náboji, je zvláštním případem měřicích polí. V zásadě lze modelovat pole jiná než elektromagnetická pole a takové studie již probíhají. Další oblastí je astrofyzika, kde vědci využívající studené atomysimulovat termodynamiku černých děr “.
Takoví konstruktéři mohou být také použity k sestavení kvantových počítačů, pomocí kterých je vhodné studovat teleportaci kvantových částic.
A také nahlédněte do vzdálené budoucnosti, 20-40 miliard let dopředu, protože vesmír se neustále rozšiřuje a podle zákonů termodynamiky jeho teplota postupně klesá. Postupem času se zchladí na nanokelviny a díky kvantovým simulátorům budeme moci nyní pozorovat jeho stav.