Immagina di guardare una farfalla veloce ma fragile. Mentre svolazza, è piuttosto difficile studiarlo in dettaglio, quindi devi prenderlo in mano. Ma non appena fu tra i palmi delle mani, le ali si accartocciarono e persero colore. È solo che la farfalla è troppo vulnerabile e qualsiasi impatto ne cambierà l'aspetto.
Ora immagina una farfalla che cambia aspetto a uno sguardo. Ecco come si comportano i singoli elettroni in un solido. Non appena gli scienziati "guardano" un elettrone, il suo stato è già diverso dall'originale. Questo fatto complica in modo significativo lo studio della fisica dello stato solido, un campo della scienza che descrive le proprietà dei solidi (tutte le sostanze con un reticolo cristallino) in termini di struttura atomica. La creazione di computer, telefoni e molti altri dispositivi, senza i quali non possiamo immaginare la vita, è il merito di questa branca della scienza.
Se gli elettroni non possono essere "visti", devono essere sostituiti con qualcosa di più grande, hanno deciso gli scienziati. I candidati al posto degli elettroni devono preservare le loro proprietà in modo tale che le equazioni che descrivono i processi in un solido rimangano invariate. Gli atomi a temperature ultra basse sono arrivati a questo ruolo. Nel mondo fisico, la temperatura è analoga all'energia: più è bassa, più l'oggetto diventa immobile. A temperatura ambiente, un atomo di ossigeno nell'aria si muove a una velocità di diverse centinaia di metri al secondo, ma più bassa è la temperatura, più lenta è la sua velocità. La temperatura minima nel nostro mondo è considerata pari a zero gradi Kelvin, o meno 273,15 ° C.
Confronto del comportamento degli atomi in un solido a temperatura ambiente e degli atomi a temperature ultra basse / Illustrazione di RIA Novosti. A. Polyanina
Gli atomi ultrafreddi vengono raffreddati a microkelvin o meno, dove la velocità di movimento è solo di pochi centimetri al secondo.
Da tali atomi e da un reticolo ottico, gli scienziati hanno creato un cristallo artificiale simile nella struttura ai solidi naturali. Lo stesso reticolo ottico, che assume il ruolo di reticolo atomico di un solido, viene creato utilizzando laser i cui raggi si intersecano ad angoli specificati. Controllando la posizione dei laser e la loro potenza, si può cambiare continuamente la geometria del reticolo e, imponendo un campo aggiuntivo, commutare l'interazione tra gli "elettroni" da repulsiva ad attrattiva.
È così che l'artista immagina un reticolo cristallino artificiale / Illustrazione di RIA Novosti. A. Polyanina
Ma per condurre esperimenti, è necessario controllare il movimento degli elettroni. Sono suscettibili ai campi elettrici e magnetici perché hanno una carica. Gli atomi che sostituiscono gli elettroni in un cristallo artificiale sono neutri, quindi è stato necessario trovare un sostituto per la forza che li controlla. Il campo elettrico è stato sostituito con successo dalla gravità, che è responsabile del movimento rettilineo dell'elettrone. Tuttavia, gli elettroni in una torsione del campo magnetico, la loro traiettoria può essere descritta come una spirale. Pertanto, i ricercatori hanno creato un campo magnetico sintetico che ha lo stesso effetto sul movimento degli atomi di un vero campo magnetico, che è la condizione principale per lo studio delle leggi fondamentali.
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Diagramma del movimento degli elettroni in un campo elettromagnetico / Fotolia / Peter Hermes Furian
Pertanto, i fisici sono stati in grado di studiare le proprietà di qualsiasi solido (metalli, semiconduttori, dielettrici), sperimentarli e modificarli a piacimento. Si scopre che gli scienziati hanno creato un certo "costruttore" - un sistema che simula le proprietà del mondo quantistico degli elettroni, ma, a differenza di esso, è facilmente accessibile per la ricerca.
Altri sistemi possono essere assemblati dal "costruttore quantistico", compresi quelli che non esistono in natura. Ad esempio, tutte le particelle elementari sono divise in bosoni e fermioni. I bosoni hanno un numero di spin intero e i fermioni hanno un mezzo intero. Utilizzando isotopi di atomi, è possibile convertire gli elettroni nel solido artificiale discusso sopra da fermioni a bosoni.
"Oltre ai problemi della fisica dello stato solido, i costruttori quantistici basati su atomi freddi possono essere utilizzati per risolvere problemi di altre aree, ad esempio la fisica delle particelle elementari", spiega il ricercatore capo del laboratorio di teoria dei processi non lineari presso l'Istituto di fisica della SB RAS e professore del Dipartimento di Fisica Teorica presso l'Università Federale Siberiana, Dottore in Fisica e Matematica Andrey Kolovsky. - L'interazione tra le particelle elementari avviene attraverso i cosiddetti campi di gauge. Il campo elettromagnetico a noi familiare dalla scuola, responsabile dell'interazione tra le cariche, è un caso speciale di campi di gauge. In linea di principio, è possibile modellare campi diversi dai campi elettromagnetici e tali studi sono già in corso. Un'altra area è l'astrofisica, dove gli scienziati, usando atomi freddi,simulare la termodinamica dei buchi neri”.
Tali costruttori possono anche essere utilizzati per assemblare computer quantistici, con l'aiuto dei quali è conveniente studiare il teletrasporto delle particelle quantistiche.
E guarda anche al lontano futuro, 20-40 miliardi di anni avanti, perché l'Universo è in continua espansione e, secondo le leggi della termodinamica, la sua temperatura sta gradualmente diminuendo. Nel tempo, si raffredderà fino a diventare nanokelvin e, grazie ai simulatori quantistici, saremo in grado di osservare il suo stato proprio ora.
