Forestil dig at se på en hurtig, men skrøbelig sommerfugl. Mens det flagrer, er det temmelig svært at studere det detaljeret, så du er nødt til at hente det. Men så snart det var i dine håndflader, skrumpede vingerne sammen og mistede farven. Det er bare det, at sommerfuglen er for sårbar, og enhver påvirkning, du har, vil ændre dens udseende.
Forestil dig nu en sommerfugl, der ændrer sit udseende fra et øjeblik. Dette er, hvordan enkeltelektroner opfører sig i et fast stof. Så snart forskere "ser" på et elektron, er dens tilstand allerede forskellig fra originalen. Denne kendsgerning komplicerer undersøgelsen af faststoffysik markant - et videnskabsområde, der beskriver egenskaberne ved faste stoffer (alle stoffer med krystalgitter) med hensyn til deres atomstruktur. Oprettelsen af computere, telefoner og mange andre enheder, som vi ikke kan forestille os liv på, er fortjenesten ved denne gren af videnskab.
Hvis elektronerne ikke kan "ses", skal de erstattes med noget større, besluttede forskerne. Kandidater til stedet for elektroner skal bevare deres egenskaber på en sådan måde, at ligningerne, der beskriver processer i et fast stof, forbliver uændrede. Atomer ved ultra-lave temperaturer er kommet til denne rolle. I den fysiske verden er temperaturen analog med energi: jo lavere den er, jo mere bevægelsesløs bliver objektet. Ved stuetemperatur bevæger sig et iltatom i luften med en hastighed på flere hundrede meter per sekund, men jo lavere temperaturen er, desto langsommere er hastigheden. Den mindste temperatur i vores verden anses for at være 0 grader Kelvin eller minus 273,15 ° C.
Sammenligning af atoms opførsel i et fast stof ved stuetemperatur og atomer ved ultralowtemperaturer / Illustration af RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrakaldte atomer afkøles til mikrokelvin eller mindre, hvor bevægelseshastigheden kun er et par centimeter i sekundet.
Fra sådanne atomer og et optisk gitter har forskere skabt en kunstig krystal, der ligner struktur med naturlige faste stoffer. Den meget optiske gitter, der tager rollen som atomgitteret i et fast stof, skabes ved hjælp af lasere, hvis stråler skærer hinanden i bestemte vinkler. Ved at kontrollere lasernes placering og deres magt kan man kontinuerligt ændre gitterets geometri og ved at pålægge et yderligere felt skifte interaktionen mellem "elektronerne" fra frastødende til attraktiv.
Sådan forestiller kunstneren sig et kunstigt krystalgitter / Illustration af RIA Novosti. A. Polyanina
Men for at udføre eksperimenter er det nødvendigt at kontrollere bevægelsen af elektroner. De er modtagelige for elektriske og magnetiske felter, fordi de har en opladning. Atomerne, der erstatter elektroner i en kunstig krystal, er neutrale, så det var nødvendigt at komme med en erstatning for den kraft, der styrer dem. Det elektriske felt er med succes erstattet af tyngdekraften, der er ansvarlig for elektronens retlinjære bevægelse. Elektroner i et magnetfelt vrider sig imidlertid, deres bane kan beskrives som en spiral. Derfor har forskere skabt et syntetisk magnetfelt, der har den samme effekt på bevægelige atomer som et ægte magnetfelt, som er hovedbetingelsen for at studere grundlæggende love.
Salgsfremmende video:
Diagram over bevægelse af elektroner i et elektromagnetisk felt / Fotolia / Peter Hermes Furian
Således var fysikere i stand til at undersøge egenskaberne ved alle faste stoffer (metaller, halvledere, dielektrik), eksperimentere med dem og ændre dem efter ønske. Det viser sig, at videnskabsmænd har skabt en bestemt "konstruktør" - et system, der simulerer egenskaberne for kvanteverdenen af elektroner, men i modsætning til den er let tilgængelig til forskning.
Andre systemer kan samles fra "kvantekonstruktøren", inklusive dem, der ikke findes i naturen. For eksempel er alle elementære partikler opdelt i bosoner og fermioner. Bosoner har et heltal spin nummer, og fermions har et halvt heltal. Ved anvendelse af isotoper af atomer er det muligt at omdanne elektroner i det kunstige faste stof, der er omtalt ovenfor fra fermioner til bosoner.
"Ud over problemerne med fast tilstandsfysik kan kvantekonstruktører baseret på kolde atomer bruges til at løse problemer fra andre områder, for eksempel elementær partikelfysik," forklarer hovedforskeren i laboratoriet i teorien om ikke-lineære processer ved Institut for Fysik i SB RAS og professor ved Institut for Teoretisk Fysik ved Siberian Federal University, Læge i fysik og matematik Andrey Kolovsky. - Samspillet mellem elementære partikler gennemføres gennem de såkaldte gauge-felter. Det elektromagnetiske felt, som vi kender fra skolen, der er ansvarligt for samspillet mellem ladninger, er et specielt tilfælde af målefelter. I princippet kan andre felter end elektromagnetiske felter modelleres, og sådanne undersøgelser er allerede i gang. Et andet område er astrofysik, hvor forskere, der bruger kolde atomer,simulere termodynamikken i sorte huller”.
Sådanne konstruktører kan også bruges til at samle kvantecomputere ved hjælp af hvilke det er praktisk at undersøge teleporteringen af kvantepartikler.
Og kig også ind i den fjerne fremtid, 20-40 milliarder år frem i tid, fordi universet konstant ekspanderer, og ifølge termodynamikens love falder dets temperatur gradvist. Over tid vil det køle ned til nanokelvins, og takket være kvantesimulatorer vil vi være i stand til at observere dens tilstand lige nu.