Predstavljajte si, da gledate hitrega, a krhkega metulja. Medtem ko lesketa, ga je precej težko podrobno preučiti, zato ga morate pobrati. Toda takoj, ko je bilo v vaših dlanh, so se krila zdrobila in izgubila barvo. Samo, da je metulj preveč ranljiv in vsak vpliv, ki ga boste imeli, bo spremenil njegov videz.
Zdaj si predstavljajte metulja, ki z enega pogleda spremeni videz. Tako se v trdni snovi obnašajo posamezni elektroni. Takoj, ko znanstveniki "pogledajo" na elektron, se njegovo stanje že razlikuje od izvirnika. To dejstvo bistveno otežuje proučevanje fizike trdnih snovi - znanstveno področje, ki opisuje lastnosti trdnih snovi (vseh snovi s kristalno rešetko) glede na njihovo atomsko zgradbo. Ustvarjanje računalnikov, telefonov in številnih drugih naprav, brez katerih si življenja ne predstavljamo, je zasluga te veje znanosti.
Če elektronov ni mogoče "videti", jih je treba nadomestiti z nečim večjim, so se odločili znanstveniki. Kandidati za mesto elektronov morajo ohraniti svoje lastnosti tako, da enačbe, ki opisujejo procese v trdnem tleh, ostanejo nespremenjene. Atomi pri ultra nizkih temperaturah so prišli do te vloge. V fizičnem svetu je temperatura analogna energiji: nižja ko je objekt bolj negiben. Pri sobni temperaturi se atom kisika v zraku giblje s hitrostjo nekaj sto metrov na sekundo, toda ko je nižja temperatura, počasnejša je njegova hitrost. Najnižja temperatura v našem svetu velja za nič stopinj Kelvina ali minus 273,15 ° C.
Primerjava obnašanja atomov v trdni snovi pri sobni temperaturi in atomov pri prenizkih temperaturah / Ilustracija RIA Novosti. A. Polianina
Ultrahladni atomi se ohladijo na mikrokelvin ali manj, kjer je hitrost gibanja le nekaj centimetrov na sekundo.
Znanstveniki so iz takih atomov in optične rešetke ustvarili umetni kristal, ki je po strukturi podoben naravnim trdnim snovem. Sama optična rešetka, ki prevzame vlogo atomske rešetke trdne snovi, je ustvarjena z uporabo laserjev, katerih žarki se sekajo pod določenimi koti. Z nadzorom položaja laserjev in njihove moči lahko nenehno spreminjate geometrijo rešetke in z vsiljevanjem dodatnega polja preklapljate interakcijo med "elektroni" iz odbijajoče v privlačno.
Tako si umetnik predstavlja umetno kristalno rešetko / Ilustracija RIA Novosti. A. Polyanina
Toda za izvajanje eksperimentov morate nadzorovati gibanje elektronov. Občutljivi so na električna in magnetna polja, ker imajo naboj. Atomi, ki nadomeščajo elektrone v umetnem kristalu, so nevtralni, zato je bilo treba nadomestiti silo, ki jih nadzira. Električno polje je uspešno nadomestilo gravitacijo, ki je odgovorna za pravokotno gibanje elektrona. Vendar pa se elektroni v magnetnem polju zvijajo, njihovo pot lahko opišemo kot spiralo. Zato so raziskovalci ustvarili sintetično magnetno polje, ki ima enak učinek na gibljive atome kot pravo magnetno polje, kar je glavni pogoj za preučevanje temeljnih zakonov.
Promocijski video:
Diagram gibanja elektronov v elektromagnetnem polju / Fotolia / Peter Hermes Furian
Tako so fiziki lahko preučili lastnosti kakršnih koli trdnih snovi (kovine, polprevodniki, dielektriki), z njimi eksperimentirali in jih po svoji volji spreminjali. Izkazalo se je, da so znanstveniki ustvarili določen "konstruktor" - sistem, ki simulira lastnosti kvantnega sveta elektronov, vendar je za razliko od njega lahko dostopen za raziskave.
Iz "kvantnega konstruktorja" je mogoče sestaviti druge sisteme, vključno s tistimi, ki v naravi ne obstajajo. Na primer, vsi osnovni delci so razdeljeni na bozone in fermione. Bozoni imajo celo število vrtenja, fermioni pa polovično celo število. Z uporabo izotopov atomov je mogoče pretvoriti elektrone v umetni trdni snovi, ki je bila obravnavana zgoraj, iz fermionov v bozone.
"Poleg problemov fizike trdnih snovi se lahko kvantni konstruktorji, ki temeljijo na hladnih atomih, uporabljajo za reševanje problemov z drugih področij, na primer fizike elementarnih delcev," pojasnjuje glavni raziskovalec laboratorija za teorijo nelinearnih procesov na Inštitutu za fiziko SB RAS in profesor Oddelka za teoretično fiziko Sibirske zvezne univerze, Doktor fizike in matematike Andrey Kolovsky. - Interakcija med osnovnimi delci poteka skozi tako imenovana merilna polja. Elektromagnetno polje, ki nam ga pozna šola in je odgovorno za interakcijo med naboji, je poseben primer merilnih polj. Načeloma je mogoče modelirati polja, ki niso elektromagnetna, in takšne študije že potekajo. Drugo področje je astrofizika, kjer znanstveniki s pomočjo hladnih atomov oz.simulirajo termodinamiko črnih lukenj”.
Takšni konstruktorji se lahko uporabljajo tudi za sestavljanje kvantnih računalnikov, s pomočjo katerih je priročno preučiti teleportacijo kvantnih delcev.
In poglejte tudi v daljno prihodnost, 20-40 milijard let naprej, ker se Vesolje nenehno širi in njegova temperatura po zakonih termodinamike postopoma pada. Sčasoma se bo ohlajal do nanokelvin, in zahvaljujoč kvantnim simulatorjem bomo lahko takoj opazovali njegovo stanje.