Tänk dig att titta på en snabb men ömtålig fjäril. Medan den fladdrar är det ganska svårt att studera det i detalj, så du måste plocka upp det. Men så snart det var i handflatorna skrynklade vingarna och förlorade färgen. Det är bara att fjärilen är för sårbar, och alla effekter du har kommer att ändra dess utseende.
Föreställ dig nu en fjäril som ändrar sitt utseende från ett ögonblick. Så här uppför sig enstaka elektroner i ett fast ämne. Så snart forskare "tittar" på en elektron är dess tillstånd redan annorlunda än originalet. Detta faktum komplicerar avsevärt studien av fast tillståndsfysik - ett vetenskapligt område som beskriver egenskaperna hos fasta ämnen (alla ämnen med ett kristallgitter) i termer av deras atomstruktur. Skapandet av datorer, telefoner och många andra enheter, utan vilka vi inte kan föreställa oss liv, är värdet av denna vetenskapsgren.
Om elektronerna inte kan "ses" måste de ersättas med något större, beslutade forskarna. Kandidater för platsen för elektroner måste bevara sina egenskaper på ett sådant sätt att ekvationerna som beskriver processer i ett fast ämne förblir oförändrade. Atomer vid extremt låga temperaturer har kommit till denna roll. I den fysiska världen är temperaturen analog med energi: ju lägre den är, desto mer rörligt blir objektet. Vid rumstemperatur rör sig en syreatom i luften med en hastighet på flera hundra meter per sekund, men ju lägre temperaturen, desto långsammare är hastigheten. Minimetemperaturen i vår värld anses vara noll grader Kelvin, eller minus 273,15 ° C.
Jämförelse av beteendet hos atomer i ett fast ämne vid rumstemperatur och atomer vid ultraljudstemperaturer / Illustration av RIA Novosti. A. Polyanina
Ultracold atomer kyls till mikrokelvin eller mindre, där rörelseshastigheten endast är några centimeter per sekund.
Från sådana atomer och ett optiskt galler har forskare skapat en konstgjord kristall som liknar strukturen som naturliga fasta ämnen. Det mycket optiska gitteret, som tar rollen som atomgitteret i ett fast ämne, skapas med hjälp av lasrar vars strålar korsar varandra i specifika vinklar. Genom att kontrollera laserns läge och deras kraft kan man kontinuerligt ändra gitterets geometri, och genom att införa ett ytterligare fält, växla växelverkan mellan "elektronerna" från avvisande till attraktiv.
Så här föreställer konstnären ett konstgjord kristallgitter / Illustration av RIA Novosti. A. Polyanina
Men för att genomföra experiment är det nödvändigt att kontrollera elektronernas rörelse. De är mottagliga för elektriska och magnetiska fält eftersom de har en laddning. Atomerna som ersätter elektroner i en konstgjord kristall är neutrala, så det var nödvändigt att komma med en ersättning för kraften som styr dem. Det elektriska fältet har framgångsrikt ersatts av tyngdkraften, som är ansvarig för elektronens rätlinjiga rörelse. Emellertid elektroner i ett magnetfält vrider sig, deras bana kan beskrivas som en spiral. Därför har forskare skapat ett syntetiskt magnetfält som har samma effekt på rörliga atomer som ett riktigt magnetfält, vilket är huvudförutsättningen för att studera grundläggande lagar.
Kampanjvideo:
Diagram över rörelser hos elektroner i ett elektromagnetiskt fält / Fotolia / Peter Hermes Furian
Fysiker kunde alltså studera egenskaperna hos alla fasta ämnen (metaller, halvledare, dielektrik), experimentera med dem och ändra dem när som helst. Det visar sig att forskare har skapat en typ av "designer" - ett system som simulerar egenskaperna hos den elektroniska kvantvärlden, men till skillnad från den är lättillgänglig för forskning.
Andra system kan monteras från "kvantkonstruktören", inklusive de som inte finns i naturen. Till exempel är alla elementära partiklar uppdelade i bosoner och fermioner. Bosoner har ett heltalspinnnummer och fermioner har ett heltal. Med användning av isotoper av atomer är det möjligt att omvandla elektroner i det konstgjorda fasta ämnet som diskuterats ovan från fermioner till bosoner.
"Utöver problemen med fast tillståndsfysik kan kvantkonstruktörer baserade på kalla atomer användas för att lösa problem från andra områden, till exempel elementär partikelfysik," förklarar huvudforskaren i laboratoriet för teorin om icke-linjära processer vid Institutet för fysik vid SB RAS och professor vid Institutionen för teoretisk fysik vid Siberian Federal University, Doktor i fysik och matematik Andrey Kolovsky. - Samspelet mellan elementära partiklar utförs genom de så kallade mätfälten. Det elektromagnetiska fältet som vi känner från skolan, som ansvarar för samspelet mellan laddningar, är ett speciellt fall av mätfält. I princip kan andra fält än elektromagnetiska fält modelleras, och sådana studier pågår redan. Ett annat område är astrofysik, där forskare som använder kalla atomer,simulera termodynamiken i svarta hål”.
Sådana konstruktörer kan också användas för att montera kvantdatorer, med hjälp av vilka det är bekvämt att studera teleporteringen av kvantpartiklar.
Och titta också in i den avlägsna framtiden, 20-40 miljarder år framåt, eftersom universum ständigt expanderar och enligt termodynamikens lagar sjunker temperaturen gradvis. Med tiden kommer det att svalna till nanokelvins, och tack vare kvantsimulatorer kommer vi att kunna observera dess tillstånd just nu.