Представьте, что вы хотите рассмотреть быструю, но хрупкую бабочку. Пока она порхает, детально изучить ее довольно трудно, поэтому нужно взять ее в руки. Но как только она оказалась в ваших ладонях, крылышки смялись и потеряли цвет. Просто бабочка слишком уязвима, и любое ваше воздействие изменяет ее вид.

А теперь вообразите бабочку, которая меняет внешний вид от одного вашего взгляда. Именно так ведут себя одиночные электроны в твердом теле. Стоит ученым "посмотреть" на электрон, и его состояние уже отличается от оригинального. Этот факт значительно усложняет изучение физики твердого тела - области науки, которая описывает свойства твердых тел (всех веществ, имеющих кристаллическую решетку) с точки зрения их атомного строения. Создание компьютеров, телефонов и многих других устройств, без которых мы не представляем себе жизнь, является заслугой этого раздела науки.

Если электроны невозможно "увидеть", надо их заменить на что-то более крупное, решили ученые. Кандидаты на место электронов должны сохранять их свойства таким образом, чтобы уравнения, описывающие процессы в твердом теле, оставались неизменными. На эту роль подошли атомы при сверхнизких температурах. В физическом мире температура является аналогом энергии: чем она ниже, тем неподвижнее становится объект. При комнатной температуре атом кислорода в воздухе движется со скоростью несколько сотен метров в секунду, но чем ниже температура, тем меньше его скорость. Минимальной в нашем мире является температура ноль градусов Кельвина, или -273,15 °C.

Ультрахолодные атомы охлаждены до микрокельвина и даже менее, где скорость движения составляет лишь несколько сантиметров в секунду.

Из таких атомов и оптической решетки ученые создали искусственный кристалл, аналогичный по строению природным твердым телам. Сама оптическая решетка, которая берет на себя роль атомарной решетки твердого тела, создается с помощью лазеров, чьи лучи пересекаются под заданными углами. Управляя положением лазеров и их мощностью, можно непрерывно менять геометрию решетки, а путем наложения дополнительного поля переключить взаимодействие между "электронами" с отталкивающего на притягивающее.

Но для проведения экспериментов необходимо управлять движением электронов. Они поддаются воздействию электрического и магнитного полей, так как имеют заряд. Атомы же, замещающие электроны в искусственном кристалле, нейтральны, поэтому необходимо было придумать замену управляющей ими силы. Электрическое поле успешно заменила гравитация, которая отвечает за прямолинейное движение электрона. Однако электроны в магнитном поле закручиваются, их траекторию можно описать как спиралевидную. Поэтому исследователи создали синтетическое магнитное поле, оказывающее на движущиеся атомы такое же действие, как и настоящее магнитное поле, что является главным условием для изучения фундаментальных законов.

Таким образом физики получили возможность изучать свойства любых твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков), экспериментировать с ними и изменять по собственному желанию. Получается, что учеными создан некий "конструктор", - система, симулирующая свойства квантового мира электронов, но, в отличие от него, легко доступная для исследований.

Из "квантового конструктора" можно собрать и другие системы, включая такие, каких в природе не существует. Например, все элементарные частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны имеют целое спиновое число, а фермионы - полуцелое. Используя изотопы атомов, можно превратить электроны в рассмотренном выше искусственном твердом теле из фермионов в бозоны.

"Помимо задач физики твердого тела, квантовые конструкторы на основе холодных атомов можно использовать и для решения задач из других областей, например физики элементарных частиц, - поясняет главный научный сотрудник лаборатории теории нелинейных процессов Института физики СО РАН и профессор кафедры Теоретической физики Сибирского федерального университета, доктор физико-математических наук Андрей Коловский. - Взаимодействие между элементарными частицами осуществляется через так называемые калибровочные поля. Знакомое нам со школы электромагнитное поле, ответственное за взаимодействие между зарядами, является частным случаем калибровочных полей. В принципе, можно смоделировать и другие поля, помимо электромагнитного, и такие исследования уже проводятся. Еще одно направление - астрофизика, где ученые, используя холодные атомы, моделируют термодинамику черных дыр".

Из таких конструкторов можно также собирать и квантовые компьютеры, с помощью которых удобно изучать телепортацию квантовых частиц.

А еще заглянуть в далекое будущее, на 20-40 миллиардов лет вперед, ведь Вселенная постоянно расширяется и, согласно законам термодинамики, ее температура плавно падает. Со временем она охладится до нанокельвинов, а благодаря квантовым симуляторам мы сможем наблюдать ее состояние прямо сейчас.

Похожие новости

  • 16/09/2016

    Красноярские ученые разрабатывают аппаратуру для автоматизации космических испытаний

    Ученые и специалисты Сибирского федерального университета разработали программно-аппаратный комплекс, предназначенный для проверки бортового оборудования космических аппаратов в процессе изготовления и проведения испытаний.
    753
  • 21/04/2017

    Красноярские физики получили нанодисперсные порошки для создания аккумуляторов водорода

    Ученые Сибирского федерального университета и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН разработали технологию синтеза нанодисперсных порошков магния, которые могут стать перспективным материалом для изготовления аккумуляторов водорода для автомобильного транспорта.
    491
  • 16/05/2017

    Ученые СФУ разработали наиболее эффективный материал для аккумулирования водорода

    Красноярские ученые получили новый материал для хранения водорода, сообщила пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ). Материал на основе гидрида магния может хранить массу водорода, составляющую около 7% его собственной массы, и это рекордное значение емкости для всех аналогичных материалов.
    267
  • 14/02/2017

    Томский ученый Илья Романченко - о физике и разработках

    ​​​Томский физик Илья Романченко получил премию президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. В интервью РИА Томск он рассказал о том, как его работа может помочь в борьбе против раковых клеток и террористов, почему в физике недостаточно просто выучить формулы, а также на что он собирается потратить 2,5 миллиона рублей.
    1220
  • 19/01/2016

    Новая технология ученых СФУ увеличит скорость литья на 85%

    ​В Сибирском федеральном университете завершили масштабные испытания инновационной технологии перемешивания жидкой сердцевины кристаллизующегося слитка - LHMS (Liquid Heart Metal Stirrer). Первый этап реализации технологии LHMS, предназначенной для производителей и переработчиков алюминия и его сплавов, включал в себя разработку оборудования и его поставку на завод ведущего европейского производителя (Швейцария) конечной продукции из алюминиевых сплавов для машиностроения.
    662
  • 26/06/2017

    Как ракушка помогла материаловедам

    ​​Морская раковина - удивительно красивое творение природы. Все знают, что если прислонить ее к уху, то услышишь шум прибоя, вспомнишь о мягком песке, теплых летних днях. Но, оказывается, это еще и эталон, достичь которого стремятся ученые-материаловеды из разных стран, работающие над созданием материалов нового поколения! В течение 11 лет Томский ​научный центр Сибирского отделения РАН занимается созданием многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов и моделированием процессов их разрушения.
    296
  • 22/09/2016

    В Новосибирске планируют создать клинику для лечения методом БНЗТ

    ​Новосибирский государственный университет в сотрудничестве с российскими и зарубежными научными организациями работает над реализацией масштабного проекта по созданию клиники для лечения глиобластомы мозга и других онкологических заболеваний с помощью метода бор-нейтронозахватной терапии и ускорительного источника нейтронов Института ядерной физики им Г.
    1258
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    732
  • 19/10/2017

    Названы финалисты конкурса «ВИК.Нано 2017»

    ​Жюри Всероссийского инженерного конкурса для студентов и аспирантов в области нанотехнологий "ВИК.Нано 2017" по итогам заочного этапа определило 17 финалистов, которым предстоит бороться за звание лауреатов.
    49
  • 12/10/2016

    Томские ученые испытывают новые стекла для космических спутников

    ​Сотрудники НИИ ПММ ТГУ проводят испытания покрытий, созданных для защиты иллюминаторов, линз и зеркал космических аппаратов от эрозии. При помощи легкогазовой баллистической установки экспериментальные образцы обстреливают микрочастицами порошка железа со скоростью 5-8 километров в секунду.
    838