Представете си, че гледате бърза, но крехка пеперуда. Докато той трепне, е доста трудно да го изучите подробно, така че трябва да го вземете. Но веднага щом беше в дланите ви, крилата се смачкаха и загубиха цвят. Просто пеперудата е твърде уязвима и всяко ваше въздействие ще промени външния й вид.
А сега си представете пеперуда, която променя външния си вид от един поглед. Така се държат единични електрони в твърдо вещество. Щом учените "погледнат" един електрон, състоянието му вече е различно от оригинала. Този факт значително усложнява изучаването на физиката на твърдото тяло - област на науката, която описва свойствата на твърдите вещества (всички вещества с кристална решетка) по отношение на атомната им структура. Създаването на компютри, телефони и много други устройства, без които не можем да си представим живота, е заслугата на този клон на науката.
Ако електроните не могат да се „видят“, те трябва да бъдат заменени с нещо по-голямо, решиха учените. Кандидатите за мястото на електроните трябва да запазят свойствата си по такъв начин, че уравненията, описващи процесите в твърдо вещество, да останат непроменени. Атомите при ултра ниски температури са стигнали до тази роля. Във физическия свят температурата е аналогична на енергията: колкото по-ниска е, толкова по-неподвижен става обектът. При стайна температура кислородният атом във въздуха се движи със скорост от няколкостотин метра в секунда, но колкото по-ниска е температурата, толкова по-бавна е нейната скорост. Минималната температура в нашия свят се счита за нула градуса Келвин, или минус 273.15 ° C.
Сравнение на поведението на атомите в твърдо вещество при стайна температура и атоми при свръх ниски температури / Илюстрация от РИА Новости. А. Полянина
Свръх студените атоми се охлаждат до микрокелвин или по-малко, където скоростта на движение е само няколко сантиметра в секунда.
От такива атоми и оптична решетка учените са създали изкуствен кристал, подобен по структура на естествените твърди частици. Самата оптична решетка, която поема ролята на атомната решетка на твърдо вещество, е създадена с помощта на лазери, чиито лъчи се пресичат под определени ъгли. Управлявайки положението на лазерите и тяхната сила, човек може непрекъснато да променя геометрията на решетката и чрез налагане на допълнително поле да превключва взаимодействието между "електроните" от отблъскващо към атрактивно.
Ето как художникът си представя изкуствена кристална решетка / Илюстрация от РИА Новости. A. Polyanina
Но за провеждане на експерименти е необходимо да се контролира движението на електрони. Те са податливи на електрически и магнитни полета, защото имат заряд. Атомите, заместващи електроните в изкуствен кристал, са неутрални, така че беше необходимо да се намери заместител на силата, която ги контролира. Електрическото поле успешно е заменено от гравитацията, която е отговорна за праволинейното движение на електрона. Въпреки това, електроните в магнитно поле се извиват, тяхната траектория може да бъде описана като спирала. Затова изследователите са създали синтетично магнитно поле, което има същия ефект върху движещите се атоми като истинско магнитно поле, което е основното условие за изучаване на основните закони.
Промоционално видео:
Диаграма на движението на електроните в електромагнитно поле / Fotolia / Peter Hermes Furian
Така физиците успяха да изучат свойствата на всякакви твърди частици (метали, полупроводници, диелектрици), да експериментират с тях и да ги променят по желание. Оказва се, че учените са създали определен „конструктор“- система, която симулира свойствата на квантовия свят на електроните, но за разлика от него е лесно достъпна за изследване.
От „квантовия конструктор“могат да бъдат сглобени други системи, включително тези, които не съществуват в природата. Например всички елементарни частици са разделени на бозони и фермиони. Бозоните имат цяло число на въртене, а фермионите имат полу-цяло число. Използвайки изотопи на атоми, е възможно да се преобразуват електрони в изкуственото твърдо вещество, обсъдено по-горе, от фермиони в бозони.
„В допълнение към проблемите на физиката на твърдото тяло, квантовите конструктори, базирани на студени атоми, могат да бъдат използвани за решаване на проблеми от други области, например, физика на елементарните частици“, обяснява главният изследовател на лабораторията по теория на нелинейните процеси в Института по физика на SB RAS и професор от катедрата по теоретична физика в Сибирския федерален университет, Доктор по физика и математика Андрей Коловски. - Взаимодействието между елементарни частици се осъществява чрез така наречените калибровъчни полета. Електромагнитното поле, познато ни от училище, което е отговорно за взаимодействието между зарядите, е специален случай на габаритни полета. По принцип могат да се моделират полета, различни от електромагнитните, и такива проучвания вече са в ход. Друга област е астрофизиката, където учените, използвайки студени атоми,симулирайте термодинамиката на черните дупки”.
Такива конструктори могат да се използват и за сглобяване на квантови компютри, с помощта на които е удобно да се изследва телепортацията на квантови частици.
И също така погледнете в далечното бъдеще, 20-40 милиарда години напред, защото Вселената непрекъснато се разширява и според законите на термодинамиката температурата й постепенно спада. С течение на времето той ще изстине до нанокелвините и благодарение на квантовите симулатори ще можем да наблюдаваме състоянието му в момента.
