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

  • 20/10/2017

    Красноярские ученые разработали технологию управляемого синтеза магнитных нанопорошков

     Ученые Института физики им. Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН (КНЦ СО РАН) научились синтезировать магнитные наночастицы с ядром из никеля и непроводящей ток углеродной оболочкой.
    134
  • 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.
    614
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    142
  • 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.
    838
  • 15/12/2017

    Химики создали новый класс люминофоров для электронной промышленности

    ​Международный коллектив химиков из Китая, России и Японии синтезировал новое кристаллическое вещество на основе оксидов редкоземельных металлов, а также описал его структуру и свойства. Расшифровка рентгенограммы нового соединение установила, что он относится к новому, ранее неизвестному классу.
    25
  • 28/07/2017

    Нестоличная наука: новгородские викинги, миниатюрный лазер и нейросеть-кардиолог

    ​​Робот-разведчик, древняя птица, рентгеновская линза и другие открытия и разработки российских ученых, сделанные вне Москвы и Санкт-Петербурга. Великий Новгород Уникальное кладбище X-XI веков обнаружила экспедиция Института археологии РАН при раскопках в центре Новгорода.
    246
  • 19/12/2016

    Красноярские учёные разрабатывают технологию спутникового мониторинга климатических изменений в Арктике

    Ученые Института физики имени Л.В. Киренского в Красноярске разрабатывают технологию спутникового мониторинга климатических изменений в арктической зоне, которая позволит дистанционно фиксировать влажность и температуру почвы, сообщила пресс-служба правительства Красноярского края.
    576
  • 09/12/2017

    Сибирские ученые создали сверхпроводящий при комнатной температуре материал

    ​Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) и Федерального исследовательского центра Красноярского научного центра СО РАН создали материал, который показывает свойства сверхпроводимости при комнатной температуре, сообщила пресс-служба СФУ.
    111
  • 15/02/2017

    Красноярские ученые создали уникальный прибор для телескопа будущего

    Ученые в Красноярске создали уникальный прибор для телескопа, который планируют запустить космос не раньше 2025 года. Как сообщили в пресс-службе правительства края, ученые Института физики им Л.В. Киренского Красноярского научного центра СО РАН создали прибор для измерения термооптических свойств защитных покрытий и материалов космических аппаратов при сверхнизких температурах.
    569
  • 24/01/2017

    Красноярские ученые рассчитали, как поймать свет с помощью диэлектрических шариков

    ​Теоретические расчеты красноярских физиков показали, что цепочка из одинаковых диэлектрических шариков может быть использована в качестве ловушки для электромагнитных волн. Такая цепочка будет вести себя как световод, который улавливает и захватывает свет, падающий на него под любым углом.
    518