Iedomājieties, ka skatāties uz ātru, bet trauslu tauriņu. Kamēr tas plandās, ir diezgan grūti to detalizēti izpētīt, tāpēc jums tas jāpaņem. Bet, tiklīdz tas bija plaukstās, spārni saburzījās un zaudēja krāsu. Tas ir tikai tas, ka tauriņš ir pārāk neaizsargāts, un jebkura jūsu ietekme mainīs tā izskatu.
Tagad iedomājieties tauriņu, kas maina tā izskatu no viena acu uzmetiena. Tas ir tas, kā atsevišķi elektroni izturās cietā stāvoklī. Tiklīdz zinātnieki "aplūko" elektronu, tā stāvoklis jau atšķiras no oriģināla. Šis fakts ievērojami sarežģī cietvielu fizikas izpēti - zinātnes jomu, kas apraksta cietvielu (visu vielu ar kristāla režģi) īpašības to atomu struktūras ziņā. Datoru, tālruņu un daudzu citu ierīču izveide, bez kuras mēs nevaram iedomāties dzīvi, ir šīs zinātnes nozares nopelns.
Ja elektronus nevar "redzēt", tie jāaizstāj ar kaut ko lielāku, nolēma zinātnieki. Kandidātiem uz elektronu vietu jāsaglabā savas īpašības tā, lai vienādojumi, kas apraksta procesus cietā stāvoklī, nemainītos. Atomi ļoti zemā temperatūrā ir nonākuši šajā lomā. Fiziskajā pasaulē temperatūra ir analoga enerģijai: jo zemāka tā ir, jo nekustīgāks objekts kļūst. Istabas temperatūrā skābekļa atoms gaisā pārvietojas ar ātrumu simtiem metru sekundē, bet, jo zemāka temperatūra, jo lēnāks tās ātrums. Minimālā temperatūra mūsu pasaulē tiek uzskatīta par nulli grādiem pēc Kelvina jeb mīnus 273,15 ° C.
Atomu izturēšanās pret cietām vielām istabas temperatūrā un atomu pie ļoti zemas temperatūras salīdzinājums / RIA Novosti ilustrācija. A. Poļjaņina
Īpaši aukstos atomus atdzesē līdz mikrokelvinam vai mazāk, kur kustības ātrums ir tikai daži centimetri sekundē.
No šādiem atomiem un optiska režģa zinātnieki ir izveidojuši mākslīgu kristālu, kas pēc struktūras ir līdzīgs dabīgām cietām vielām. Ļoti optiskā režģis, kas uzņem cietās vielas atomu režģi, tiek izveidots, izmantojot lāzerus, kuru stari krustojas noteiktos leņķos. Kontrolējot lāzeru stāvokli un to jaudu, var nepārtraukti mainīt režģa ģeometriju un, uzliekot papildu lauku, mijiedarbību starp "elektroniem" var pārslēgt no atgrūdoša uz pievilcīgu.
Tā mākslinieks iztēlojas mākslīgu kristāla režģi / RIA Novosti ilustrācija. A. Poljanina
Bet, lai veiktu eksperimentus, ir nepieciešams kontrolēt elektronu kustību. Viņi ir jutīgi pret elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, jo viņiem ir lādiņš. Atomi, kas mākslīgajā kristālā aizvieto elektronus, ir neitrāli, tāpēc bija nepieciešams nomainīt spēku, kas tos kontrolē. Elektrisko lauku veiksmīgi aizstāja gravitācija, kas ir atbildīga par elektrona taisno kustību. Tomēr elektroni magnētiskā lauka savērpšanā, to trajektoriju var raksturot kā spirāli. Tāpēc pētnieki ir izveidojuši sintētisku magnētisko lauku, kam ir tāda pati ietekme uz atomu kustību kā reālam magnētiskajam laukam, kas ir galvenais nosacījums pamatlikumu izpētei.
Reklāmas video:
Elektronu kustības diagramma elektromagnētiskajā laukā / Fotolia / Peter Hermes Furian
Tādējādi fiziķi varēja izpētīt jebkādu cietvielu (metālu, pusvadītāju, dielektriķu) īpašības, eksperimentēt ar tām un pēc vēlēšanās mainīt. Izrādās, ka zinātnieki ir izveidojuši noteiktu "konstruktoru" - sistēmu, kas imitē elektronu kvantu pasaules īpašības, taču atšķirībā no tā ir viegli pieejama pētījumiem.
Citas sistēmas var samontēt no "kvantu konstruktora", ieskaitot tās, kuras dabā neeksistē. Piemēram, visas elementārdaļiņas tiek sadalītas bozonos un fermionos. Bosoniem ir vesels skaitlis, bet fermioniem ir vesels skaitlis. Izmantojot atomu izotopus, iepriekš apskatītajā mākslīgajā cietajā vielā ir iespējams pārveidot elektronus no fermioniem par bozoniem.
“Papildus cietvielu fizikas problēmām kvantu konstruktorus, kuru pamatā ir auksti atomi, var izmantot citu jomu, piemēram, elementāru daļiņu fizikas, problēmu risināšanai,” skaidro SB RAS Fizikas institūta nelineāro procesu teorijas laboratorijas galvenais pētnieks un Sibīrijas federālās universitātes Teorētiskās fizikas katedras profesors, Fizikas un matemātikas doktors Andrejs Kolovskis. - Elementāro daļiņu mijiedarbība tiek veikta caur tā sauktajiem mērīšanas laukiem. Elektromagnētiskais lauks, kas mums pazīstams jau no skolas, kurš ir atbildīgs par lādiņu mijiedarbību, ir īpašs mērinstrumentu lauku gadījums. Principā laukus, kas nav elektromagnētiskie lauki, var modelēt, un šādi pētījumi jau tiek veikti. Vēl viena joma ir astrofizika, kur zinātnieki, izmantojot aukstos atomus,imitēt melno caurumu termodinamiku”.
Šādus konstruktorus var izmantot arī kvantu datoru salikšanai, ar kuru palīdzību ir ērti izpētīt kvantu daļiņu teleportāciju.
Un arī ieskatieties tālā nākotnē, 20-40 miljardus gadu uz priekšu, jo Visums nepārtraukti paplašinās un saskaņā ar termodinamikas likumiem tā temperatūra pakāpeniski pazeminās. Laika gaitā tas atdziest līdz nanokelvīniem, un, pateicoties kvantu simulatoriem, mēs tagad varēsim novērot tā stāvokli.