Stellen Sie sich vor, Sie betrachten einen schnellen, aber zerbrechlichen Schmetterling. Während es flattert, ist es ziemlich schwierig, es im Detail zu studieren, also müssen Sie es aufheben. Aber sobald es in Ihren Handflächen war, zerknitterten die Flügel und verloren Farbe. Es ist nur so, dass der Schmetterling zu verletzlich ist und jeder Einfluss, den Sie haben, sein Aussehen verändert.
Stellen Sie sich nun einen Schmetterling vor, der auf einen Blick sein Aussehen ändert. So verhalten sich einzelne Elektronen in einem Festkörper. Sobald Wissenschaftler ein Elektron "betrachten", unterscheidet sich sein Zustand bereits vom Original. Diese Tatsache erschwert das Studium der Festkörperphysik erheblich - ein Gebiet der Wissenschaft, das die Eigenschaften von Festkörpern (alle Substanzen mit einem Kristallgitter) hinsichtlich ihrer Atomstruktur beschreibt. Die Schaffung von Computern, Telefonen und vielen anderen Geräten, ohne die wir uns kein Leben vorstellen können, ist das Verdienst dieses Wissenschaftszweigs.
Wenn die Elektronen nicht "gesehen" werden können, müssen sie durch etwas Größeres ersetzt werden, entschieden die Wissenschaftler. Kandidaten für den Ort der Elektronen müssen ihre Eigenschaften so erhalten, dass die Gleichungen, die Prozesse in einem Festkörper beschreiben, unverändert bleiben. Atome bei extrem niedrigen Temperaturen haben diese Rolle übernommen. In der physischen Welt ist die Temperatur analog zur Energie: Je niedriger sie ist, desto bewegungsloser wird das Objekt. Bei Raumtemperatur bewegt sich ein Sauerstoffatom in Luft mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert Metern pro Sekunde. Je niedriger die Temperatur, desto langsamer ist seine Geschwindigkeit. Die Mindesttemperatur in unserer Welt wird als null Grad Kelvin oder minus 273,15 ° C angesehen.
Vergleich des Verhaltens von Atomen in einem Feststoff bei Raumtemperatur und von Atomen bei extrem niedrigen Temperaturen / Illustration von RIA Novosti. A. Polyanina
Ultrakalte Atome werden auf Mikrokelvin oder weniger abgekühlt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit nur wenige Zentimeter pro Sekunde beträgt.
Aus solchen Atomen und einem optischen Gitter haben Wissenschaftler einen künstlichen Kristall geschaffen, dessen Struktur natürlichen Festkörpern ähnelt. Das sehr optische Gitter, das die Rolle des Atomgitters eines Festkörpers übernimmt, wird mit Lasern erzeugt, deren Strahlen sich in bestimmten Winkeln schneiden. Durch Steuern der Position der Laser und ihrer Leistung kann die Geometrie des Gitters kontinuierlich geändert werden, und durch Auferlegen eines zusätzlichen Feldes kann die Wechselwirkung zwischen den "Elektronen" von abstoßend auf attraktiv umgeschaltet werden.
So stellt sich der Künstler ein künstliches Kristallgitter / Illustration von RIA Novosti vor. A. Polyanina
Um Experimente durchführen zu können, ist es jedoch notwendig, die Bewegung der Elektronen zu steuern. Sie sind anfällig für elektrische und magnetische Felder, weil sie geladen sind. Die Atome, die Elektronen in einem künstlichen Kristall ersetzen, sind neutral, daher musste ein Ersatz für die Kraft gefunden werden, die sie steuert. Das elektrische Feld wurde erfolgreich durch die Schwerkraft ersetzt, die für die geradlinige Bewegung des Elektrons verantwortlich ist. Elektronen in einem Magnetfeld verdrehen sich jedoch, ihre Flugbahn kann als Spirale bezeichnet werden. Daher haben Forscher ein synthetisches Magnetfeld geschaffen, das die gleichen Auswirkungen auf sich bewegende Atome hat wie ein reales Magnetfeld, das die Hauptbedingung für die Untersuchung grundlegender Gesetze darstellt.
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Diagramm der Bewegung von Elektronen in einem elektromagnetischen Feld / Fotolia / Peter Hermes Furian
So konnten Physiker die Eigenschaften von Festkörpern (Metalle, Halbleiter, Dielektrika) untersuchen, mit ihnen experimentieren und sie nach Belieben ändern. Es stellt sich heraus, dass Wissenschaftler einen bestimmten "Konstruktor" geschaffen haben - ein System, das die Eigenschaften der Quantenwelt der Elektronen simuliert, aber im Gegensatz dazu für die Forschung leicht zugänglich ist.
Andere Systeme können aus dem "Quantenkonstruktor" zusammengesetzt werden, einschließlich solcher, die in der Natur nicht existieren. Beispielsweise sind alle Elementarteilchen in Bosonen und Fermionen unterteilt. Bosonen haben eine ganzzahlige Spinzahl und Fermionen eine halbe Ganzzahl. Unter Verwendung von Isotopen von Atomen ist es möglich, Elektronen in dem oben diskutierten künstlichen Feststoff von Fermionen in Bosonen umzuwandeln.
„Zusätzlich zu den Problemen der Festkörperphysik können Quantenkonstruktoren auf der Basis kalter Atome verwendet werden, um Probleme aus anderen Bereichen zu lösen, beispielsweise der Elementarteilchenphysik“, erklärt der Chefforscher des Labors für Theorie nichtlinearer Prozesse am Institut für Physik des SB RAS und Professor am Institut für Theoretische Physik der Sibirischen Bundesuniversität. Doktor der Physik und Mathematik Andrey Kolovsky. - Die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen erfolgt über die sogenannten Eichfelder. Das uns aus der Schule bekannte elektromagnetische Feld, das für die Wechselwirkung zwischen Ladungen verantwortlich ist, ist ein Sonderfall von Messfeldern. Grundsätzlich können andere Felder als elektromagnetische Felder modelliert werden, und solche Studien sind bereits im Gange. Ein weiterer Bereich ist die Astrophysik, in der Wissenschaftler mit kalten Atomensimulieren die Thermodynamik von Schwarzen Löchern “.
Solche Konstruktoren können auch verwendet werden, um Quantencomputer zusammenzubauen, mit deren Hilfe es bequem ist, die Teleportation von Quantenteilchen zu untersuchen.
Und schauen Sie auch in die ferne Zukunft, 20 bis 40 Milliarden Jahre vor uns, denn das Universum dehnt sich ständig aus und nach den Gesetzen der Thermodynamik sinkt seine Temperatur allmählich. Mit der Zeit wird es sich zu Nanokelvin abkühlen, und dank Quantensimulatoren können wir seinen Zustand jetzt beobachten.