Képzelje el, hogy egy gyors, de törékeny pillanóra néz. Miközben csapkod, meglehetősen nehéz részletesen tanulmányozni, ezért ki kell választania. De amint a tenyerébe lépett, a szárnyak gyűrődtek és elveszítették a színüket. Csak annyira, hogy a pillangó túl sebezhető, és bármilyen hatása megváltoztatja annak megjelenését.
Képzelje el most egy pillangót, amely egy pillantással megváltoztatja megjelenését. Így viselkednek az elektronok szilárd anyagban. Amint a tudósok "megnéznek" egy elektronra, annak állapota már különbözik az eredetitől. Ez a tény jelentősen megnehezíti a szilárdtestfizika tanulmányozását - a tudományterületet, amely leírja a szilárd anyagok (az összes kristályrácsos anyag) tulajdonságait atomszerkezetük szempontjából. A tudomány ezen ágának érdeme a számítógépek, telefonok és még sok más eszköz létrehozása, amelyek nélkül nem tudjuk elképzelni az életet.
Ha az elektronokat nem lehet "látni", akkor valami nagyobbra kell cserélni - döntött a tudósok. Az elektronok helyére jelöltnek meg kell őriznie tulajdonságait oly módon, hogy a szilárd anyagban zajló folyamatokat leíró egyenletek változatlanok maradjanak. Atomok rendkívül alacsony hőmérsékleten jutottak ehhez a szerephez. A fizikai világban a hőmérséklet analóg az energiával: minél alacsonyabb, annál mozgástalanabbá válik a tárgy. Szobahőmérsékleten az oxigénatom a levegőben több száz méter / másodperc sebességgel mozog, de minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál lassabb a sebessége. A világ legkisebb hőmérséklete nulla Kelvin fok, vagy mínusz 273,15 ° C.
Az atomok viselkedésének összehasonlítása szilárd anyagban szobahőmérsékleten és az atomok ultraáramú hőmérsékleten / RIA Novosti illusztrációja. A. Polyanina
Az ultrahideg atomokat legfeljebb mikrokelvinre hűtik, ahol a mozgás sebessége csupán néhány centiméter másodpercenként.
Az ilyen atomokból és egy optikai rácsból a tudósok mesterséges kristályokat hoztak létre, amelyek szerkezete hasonló a természetes szilárd anyagokhoz. A nagyon optikai rácsot, amely egy szilárd anyag rácsos szerepét veszi fel, olyan lézerekkel hozzák létre, amelyek sugarai meghatározott szögben metszik egymást. A lézerek helyzetének és teljesítményének ellenőrzésével folyamatosan megváltoztatható a rács geometria, és egy kiegészítő mező bevezetésével az "elektronok" kölcsönhatását visszatükrözőről vonzóra válthatjuk.
Így képzeli el a művész egy mesterséges kristályrácsot / Illusztráció: RIA Novosti. A. Polyanina
A kísérletek elvégzéséhez azonban ellenőrizni kell az elektronok mozgását. Ezek érzékenyek az elektromos és mágneses mezőkre, mert töltésük van. Az atomok, amelyek egy mesterséges kristályban elektronokat helyettesítenek, semlegesek, ezért szükség volt az őket irányító erő helyettesítésére. Az elektromos mezőt sikeresen felváltotta a gravitáció, amely felelős az elektron egyenes vonalú mozgásáért. Azonban a mágneses mezőben lévő elektronok csavarodnak, pályájuk spirálként írható le. Ezért a kutatók létrehoztak egy szintetikus mágneses mezőt, amelynek ugyanolyan hatása van az atomok mozgatására, mint egy valódi mágneses mezőre, amely az alapvető törvények tanulmányozásának fő feltétele.
Promóciós videó:
Az elektronok elektromágneses mezőben való mozgásának vázlata / Fotolia / Peter Hermes Furian
Így a fizikusok képesek voltak bármilyen szilárd anyag (fémek, félvezetők, dielektrikumok) tulajdonságait tanulmányozni, velük kísérletezni és akarat szerint megváltoztatni. Kiderül, hogy a tudósok létrehoztak egyfajta „tervezőt” - egy olyan rendszert, amely szimulálja az elektronok kvantumvilágának tulajdonságait, de ellentétben könnyen hozzáférhető kutatásokhoz.
Más rendszerek összeállíthatók a "kvantum-konstruktorból", beleértve azokat is, amelyek nem léteznek a természetben. Például az összes elemi részecskét boszonokra és fermionokra osztják. A boszonok egész spin számmal rendelkeznek, és a fermionok fél egész számmal rendelkeznek. Az atomok izotópjai segítségével a fentiekben tárgyalt mesterséges szilárd anyagban az elektronok fermionokból bozonokká alakíthatók.
„A szilárdtest-fizika problémáin kívül a hideg atomokon alapuló kvantum-konstruktorok felhasználhatók más területek, például az elemi részecskefizika problémáinak megoldására is” - magyarázza az SB RAS Fizikai Intézetének nemlineáris folyamatok elméletének laboratóriumának fő kutatója és a Szibériai Szövetségi Egyetem Elméleti Fizikai Tanszékének professzora, Andrey Kolovsky, fizika és matematika doktor. - Az elemi részecskék közötti kölcsönhatást az úgynevezett mérőmezőkön keresztül hajtják végre. Az elektromágneses mező, amelyet az iskolától már ismerünk és felelős a töltések kölcsönhatásáért, a mérőmezők különleges esete. Elvileg modellezhetők az elektromágneses terektől eltérő mezők is, és ezek a vizsgálatok már folyamatban vannak. Egy másik terület az asztrofizika, ahol a tudósok hideg atomokat használvaszimulálja a fekete lyukak termodinamikáját”.
Az ilyen konstruktorok felhasználhatók kvantumszámítógépek összeállítására is, amelyek segítségével kényelmesen meg lehet tanulmányozni a kvantumrészecskék teleportálását.
És nézzünk a távoli jövőbe is, 20-40 milliárd évvel előre, mert az Univerzum folyamatosan bővül, és a termodinamikai törvények szerint hőmérséklete fokozatosan csökken. Idővel a nanokelvinekké lehűl, és a kvantumszimulátoroknak köszönhetően azonnal megfigyelhetjük annak állapotát.