Predstavte si, že sa pozeráte na rýchly, ale krehký motýľ. Aj keď to flirtuje, je dosť ťažké ho podrobne preštudovať, takže ho musíte vyzdvihnúť. Akonáhle to bolo vo vašich dlaniach, krídla sa zmačkali a stratili farbu. Je to tak, že motýľ je príliš zraniteľný a akýkoľvek dopad, ktorý máte, zmení jeho vzhľad.
Teraz si predstavte motýľa, ktorý zmení svoj vzhľad z jedného pohľadu. Takto sa jednotlivé elektróny správajú v pevnej látke. Hneď ako sa vedci „pozrú“na elektrón, jeho stav je už odlišný od pôvodného. Táto skutočnosť významne komplikuje štúdium fyziky tuhých látok - vedného odboru, ktorý opisuje vlastnosti tuhých látok (všetkých látok s kryštálovou mriežkou) z hľadiska ich atómovej štruktúry. Tvorba počítačov, telefónov a mnohých ďalších zariadení, bez ktorých si život nevieme predstaviť, je zásluhou tohto odvetvia vedy.
Ak sa elektróny nedajú „vidieť“, musia sa nahradiť niečím väčším, rozhodli sa vedci. Kandidáti na miesto elektrónov si musia zachovať svoje vlastnosti takým spôsobom, aby rovnice opisujúce procesy v pevnej látke zostali nezmenené. Atómy pri ultranízkych teplotách prišli k tejto úlohe. Vo fyzickom svete je teplota analogická s energiou: čím je nižšia, tým je objekt nepohyblivejší. Pri izbovej teplote sa atóm kyslíka vo vzduchu pohybuje rýchlosťou niekoľko stoviek metrov za sekundu, ale čím nižšia je teplota, tým nižšia je jeho rýchlosť. Minimálna teplota v našom svete sa považuje za nulovú hodnotu Kelvinov alebo mínus 273,15 ° C.
Porovnanie správania atómov v tuhej látke pri izbovej teplote a atómov pri ultratenkých teplotách / Ilustrácia RIA Novosti. A. Polyanina
Ultracoldové atómy sa ochladzujú na mikrokelvin alebo menej, pričom rýchlosť pohybu je len niekoľko centimetrov za sekundu.
Z takýchto atómov a optickej mriežky vedci vytvorili umelý kryštál, ktorý sa podobá štruktúre ako prírodná tuhá látka. Veľmi optická mriežka, ktorá preberá úlohu atómovej mriežky pevnej látky, sa vytvára pomocou laserov, ktorých lúče sa pretínajú v určených uhloch. Ovládaním polohy laserov a ich energie je možné plynulo meniť geometriu mriežky a ukladaním ďalšieho poľa prepínať interakciu medzi „elektrónmi“z odpudivých na atraktívne.
Takto si umelec predstavuje umelú krištáľovú mriežku / Ilustráciu od RIA Novosti. A. Polyanina
Ak však chcete vykonávať experimenty, je potrebné kontrolovať pohyb elektrónov. Sú citlivé na elektrické a magnetické polia, pretože majú náboj. Atómy nahrádzajúce elektróny v umelom kryštáli sú neutrálne, takže bolo potrebné prísť s náhradou sily, ktorá ich riadi. Elektrické pole bolo úspešne nahradené gravitáciou, ktorá je zodpovedná za priamočiary pohyb elektrónu. Elektróny v magnetickom poli sa však krútia, ich trajektóriu je však možné opísať ako špirálu. Preto vedci vytvorili syntetické magnetické pole, ktoré má rovnaký vplyv na pohybujúce sa atómy ako skutočné magnetické pole, čo je hlavnou podmienkou pre štúdium základných zákonov.
Propagačné video:
Schéma pohybu elektrónov v elektromagnetickom poli / Fotolia / Peter Hermes Furian
Fyzici tak boli schopní študovať vlastnosti akýchkoľvek tuhých látok (kovy, polovodiče, dielektriká), experimentovať s nimi a ľubovoľne ich meniť. Ukazuje sa, že vedci vytvorili určitý „konštruktor“- systém, ktorý simuluje vlastnosti kvantového sveta elektrónov, ale na rozdiel od neho je pre výskum ľahko prístupný.
Ostatné systémy sa dajú zostaviť z „kvantového konštruktora“vrátane tých, ktoré v prírode neexistujú. Napríklad, všetky elementárne častice sú rozdelené na bozóny a fermiony. Bosóny majú celé číslo rotácie a fermiony majú polovičné číslo. Použitím izotopov atómov je možné prevádzať elektróny v umelej tuhej látke diskutovanej vyššie z fermiónov na bozóny.
„Okrem problémov fyziky tuhých látok je možné kvantové konštruktory založené na studených atómoch použiť na riešenie problémov z iných oblastí, napríklad fyziky elementárnych častíc,“vysvetľuje vedecký pracovník laboratória teórie nelineárnych procesov na Fyzikálnom ústave SB RAS a profesor Katedry teoretickej fyziky na Sibírskej federálnej univerzite, Doktor fyziky a matematiky Andrey Kolovsky. - Interakcia medzi elementárnymi časticami sa vykonáva prostredníctvom takzvaných meracích polí. Elektromagnetické pole, ktoré poznáme zo školy a je zodpovedné za interakciu medzi nábojmi, je špeciálnym prípadom meracích polí. V zásade možno modelovať polia iné ako elektromagnetické polia a takéto štúdie už prebiehajú. Ďalšou oblasťou je astrofyzika, kde vedci používajú chladné atómy,simulujú termodynamiku čiernych dier “.
Takéto konštruktory sa môžu tiež použiť na zostavenie kvantových počítačov, pomocou ktorých je vhodné študovať teleportáciu kvantových častíc.
A tiež sa pozrite do vzdialenej budúcnosti, ktorá je pred 20-40 miliardami rokov dopredu, pretože vesmír sa neustále rozširuje a podľa zákonov termodynamiky jeho teplota postupne klesá. Postupom času sa ochladí na nanokelvíny a vďaka kvantovým simulátorom budeme môcť teraz pozorovať jeho stav.