Stel je voor dat je naar een snelle maar kwetsbare vlinder kijkt. Terwijl het fladdert, is het nogal moeilijk om het in detail te bestuderen, dus je moet het oppakken. Maar zodra het in je handpalmen zat, verfrommelden de vleugels en verloren ze kleur. Het is alleen dat de vlinder te kwetsbaar is, en elke impact die je hebt, zal zijn uiterlijk veranderen.
Stel je nu een vlinder voor die in één oogopslag van uiterlijk verandert. Dit is hoe enkele elektronen zich gedragen in een vaste stof. Zodra wetenschappers naar een elektron "kijken", is zijn toestand al anders dan het origineel. Dit feit bemoeilijkt aanzienlijk de studie van de fysica van de vaste stof - een wetenschapsgebied dat de eigenschappen van vaste stoffen (alle stoffen met een kristalrooster) beschrijft in termen van hun atomaire structuur. Het creëren van computers, telefoons en vele andere apparaten, zonder welke we ons leven niet kunnen voorstellen, is de verdienste van deze tak van wetenschap.
Als de elektronen niet kunnen worden "gezien", moeten ze worden vervangen door iets groters, besloten de wetenschappers. Kandidaten voor de plaats van elektronen moeten hun eigenschappen zodanig behouden dat de vergelijkingen die processen in een vaste stof beschrijven ongewijzigd blijven. Atomen bij ultralage temperaturen hebben deze rol gekregen. In de fysieke wereld is temperatuur analoog aan energie: hoe lager het is, hoe onbeweeglijker het object wordt. Bij kamertemperatuur beweegt een zuurstofatoom in de lucht met een snelheid van enkele honderden meters per seconde, maar hoe lager de temperatuur, hoe langzamer de snelheid. De minimumtemperatuur in onze wereld wordt beschouwd als nul graden Kelvin, of minus 273,15 ° C.
Vergelijking van het gedrag van atomen in een vaste stof bij kamertemperatuur en atomen bij ultralage temperaturen / illustratie door RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrakoude atomen worden gekoeld tot microkelvin of minder, waarbij de bewegingssnelheid slechts enkele centimeters per seconde bedraagt.
Van dergelijke atomen en een optisch rooster hebben wetenschappers een kunstmatig kristal gemaakt dat qua structuur vergelijkbaar is met natuurlijke vaste stoffen. Het zeer optische rooster, dat de rol op zich neemt van het atoomrooster van een vaste stof, wordt gemaakt met behulp van lasers waarvan de stralen elkaar onder bepaalde hoeken snijden. Door de positie van de lasers en hun vermogen te regelen, kan men continu de geometrie van het rooster veranderen, en door een extra veld op te leggen, de interactie tussen de "elektronen" omschakelen van afstotend naar aantrekkelijk.
Dit is hoe de kunstenaar zich een kunstmatig kristalrooster / illustratie door RIA Novosti voorstelt. A. Polyanina
Maar om experimenten uit te voeren, is het noodzakelijk om de beweging van elektronen te regelen. Ze zijn gevoelig voor elektrische en magnetische velden omdat ze geladen zijn. De atomen die elektronen vervangen in een kunstmatig kristal zijn neutraal, dus het was nodig om een vervanging te vinden voor de kracht die ze bestuurt. Het elektrische veld is met succes vervangen door de zwaartekracht, die verantwoordelijk is voor de rechtlijnige beweging van het elektron. Echter, elektronen in een magnetisch veld verdraaien, hun traject kan worden omschreven als een spiraal. Daarom hebben onderzoekers een synthetisch magnetisch veld gecreëerd dat hetzelfde effect heeft op bewegende atomen als een echt magnetisch veld, wat de belangrijkste voorwaarde is voor het bestuderen van fundamentele wetten.
Promotie video:
Diagram van de beweging van elektronen in een elektromagnetisch veld / Fotolia / Peter Hermes Furian
Zo waren natuurkundigen in staat om de eigenschappen van alle vaste stoffen (metalen, halfgeleiders, diëlektrica) te bestuderen, ermee te experimenteren en ze naar believen te veranderen. Het blijkt dat wetenschappers een bepaalde "constructor" hebben gecreëerd - een systeem dat de eigenschappen van de kwantumwereld van elektronen simuleert, maar in tegenstelling tot dit systeem gemakkelijk toegankelijk is voor onderzoek.
Andere systemen kunnen worden samengesteld uit de "kwantumconstructor", inclusief systemen die in de natuur niet bestaan. Zo zijn alle elementaire deeltjes verdeeld in bosonen en fermionen. Bosonen hebben een geheel getal spin en fermionen hebben een half geheel getal. Met behulp van isotopen van atomen is het mogelijk om elektronen in de hierboven besproken kunstmatige vaste stof om te zetten van fermionen naar bosonen.
"Naast de problemen van de vaste-stoffysica, kunnen kwantumconstructors op basis van koude atomen worden gebruikt om problemen op te lossen uit andere gebieden, bijvoorbeeld elementaire deeltjesfysica", legt de hoofdonderzoeker van het laboratorium van de theorie van niet-lineaire processen van het Institute of Physics van de SB RAS en professor van de afdeling Theoretische Fysica aan de Siberische Federale Universiteit uit, Doctor in de natuurkunde en wiskunde Andrey Kolovsky. - De interactie tussen elementaire deeltjes verloopt via de zogenaamde ijkvelden. Het elektromagnetische veld dat we van school kennen en verantwoordelijk is voor de interactie tussen ladingen, is een speciaal geval van ijkvelden. In principe kunnen andere velden dan elektromagnetische velden worden gemodelleerd, en dergelijke onderzoeken zijn al gaande. Een ander gebied is astrofysica, waar wetenschappers, met behulp van koude atomen,simuleer de thermodynamica van zwarte gaten”.
Dergelijke constructors kunnen ook worden gebruikt om kwantumcomputers samen te stellen, met behulp waarvan het handig is om de teleportatie van kwantumdeeltjes te bestuderen.
En kijk ook in de verre toekomst, 20-40 miljard jaar vooruit, want het universum breidt zich voortdurend uit en volgens de wetten van de thermodynamica daalt de temperatuur geleidelijk. Na verloop van tijd zal het afkoelen tot nanokelvin, en dankzij kwantumsimulatoren zullen we de toestand ervan nu kunnen observeren.