Kujutage ette kiiret, kuid habrast liblikat. Kuigi see laperdab, on seda üsna keeruline üksikasjalikult uurida, nii et peate selle üles võtma. Kuid niipea, kui see oli peopesades, kortsusid tiivad ja kaotasid värvi. Lihtne on see, et liblikas on liiga haavatav ja mis tahes löök muudab selle välimust.
Kujutage nüüd ette liblikat, mis muudab selle välimust ühe pilgu alt. Nii käituvad üksikud elektronid tahkises. Niipea kui teadlased "elektroni" vaatavad, on selle olek juba algsest erinev. See asjaolu raskendab märkimisväärselt tahkisfüüsika uurimist - teadusvaldkond, mis kirjeldab tahkete ainete (kõigi kristallvõrega ainete) omadusi nende aatomistruktuuri osas. Selle teadusharu teeneks on arvutite, telefonide ja paljude muude seadmete loomine, ilma milleta me elu ette ei kujutaks.
Kui elektrone pole võimalik "näha", tuleb need asendada millegi suuremaga, otsustasid teadlased. Elektronide koha kandidaadid peavad säilitama oma omadused nii, et tahkes protsessis toimuvaid protsesse kirjeldavad võrrandid jääksid muutumatuks. Selle rolli on jõudnud aatomid ülimadalatel temperatuuridel. Füüsilises maailmas on temperatuur analoogne energiaga: mida madalam see on, seda liikumatumaks objekt muutub. Toatemperatuuril liigub õhus olev hapnikuaatom kiirusega mitusada meetrit sekundis, kuid mida madalam on temperatuur, seda aeglasem on selle kiirus. Meie maailma minimaalseks temperatuuriks peetakse nulli kraadi Kelvini ehk miinus 273,15 ° C.
Tahkete ainete aatomite käitumise võrdlus toatemperatuuril ja aatomite käitumine ultravoolu temperatuuridel / RIA Novosti illustratsioon. A. Polyanina
Ülikülmad aatomid jahutatakse mikrokelvini või vähem, kus liikumiskiirus on vaid mõni sentimeeter sekundis.
Sellistest aatomitest ja optilisest võrest on teadlased loonud loodusliku tahke ainega sarnase tehiskristalli. Väga optiline võre, mis võtab tahke aatomi võre rolli, luuakse laserite abil, mille kiired ristuvad kindla nurga all. Laserite asukohta ja nende võimsust kontrollides saab pidevalt muuta võre geomeetriat ja lisavälja kehtestamisega muuta "elektronide" vastasmõju tõrjuvaks atraktiivseks.
Nii kujutleb kunstnik kunstlikku kristallvõret / RIA Novosti illustratsioon. A. Polyanina
Kuid katsete läbiviimiseks on vaja kontrollida elektronide liikumist. Nad on vastuvõtlikud elektrilistele ja magnetväljadele, kuna neil on laeng. Kunstkristallides elektrone asendavad aatomid on neutraalsed, seega oli vaja neid asendava jõu asendamine välja töötada. Elektriväli on edukalt asendatud gravitatsiooniga, mis vastutab elektroni sirgjoonelise liikumise eest. Magnetvälja keerdunud elektronid aga võivad nende trajektoori kirjeldada spiraalina. Seetõttu on teadlased loonud sünteetilise magnetvälja, millel on aatomite liikuvusele sama mõju kui reaalsel magnetväljal, mis on põhitingimuste uurimisel põhitingimus.
Reklaamvideo:
Elektronide liikumise skeem elektromagnetväljas / Fotolia / Peter Hermes Furian
Nii said füüsikud uurida mis tahes kuivainete (metallid, pooljuhid, dielektrikud) omadusi, nendega katsetada ja soovi korral neid muuta. Selgub, et teadlased on loonud teatud "konstruktori" - süsteemi, mis jäljendab elektronide kvantmaailma omadusi, kuid erinevalt sellest on uurimiseks hõlpsasti ligipääsetav.
"Kvantkonstruktorist" saab kokku panna ka muid süsteeme, sealhulgas selliseid, mida looduses pole. Näiteks jagunevad kõik elementaarsed osakesed bosoonideks ja fermioonideks. Bossonitel on täisarv spin-arv ja fermioonidel on täisarv. Aatomite isotoope kasutades on võimalik ülalpool käsitletud kunstliku tahke aine elektronid muundada fermioonidest bosoniteks.
“Lisaks tahkisfüüsika probleemidele saab külmade aatomite baasil kvantkonstruktoreid kasutada ka muude valdkondade, näiteks elementaarse osakeste füüsika, probleemide lahendamiseks,” selgitab SB RAS-i füüsika instituudi mittelineaarsete protsesside teooria labori vanemteadur ja Siberi föderaalse ülikooli teoreetilise füüsika osakonna professor, Füüsika ja matemaatika doktor Andrei Kolovsky. - Elementaarosakeste vastastikmõju viiakse läbi niinimetatud mõõtmisväljade kaudu. Koolist tuttav elektromagnetväli, mis vastutab laengute vahelise koostoime eest, on gabariidiväljade erijuhtum. Põhimõtteliselt saab modelleerida ka muid väljad peale elektromagnetiliste väljade ja sellised uuringud on juba käimas. Teine valdkond on astrofüüsika, kus teadlased, kasutades külmi aatomeid,simuleerida mustade aukude termodünaamikat”.
Selliseid konstruktoreid saab kasutada ka kvantarvutite kokkupanekuks, mille abil on mugav uurida kvantosakeste teleporteerimist.
Ja vaadake ka kaugesse tulevikku, 20-40 miljardit aastat ette, sest Universum laieneb pidevalt ja vastavalt termodünaamika seadustele langeb selle temperatuur järk-järgult. Aja jooksul jahtub see nanokelviniteks ja tänu kvantimulaatoritele saame selle olekut kohe jälgida.
