Kuvittele katsottavaa nopeaa, mutta herkkää perhosta. Vaikka se räpyttelee, on melko vaikeaa tutkia sitä yksityiskohtaisesti, joten sinun on poimittava se. Mutta heti kun se oli kämmenissäsi, siipit rypistyivät ja menettivät värin. Perhosperhonen on vain liian haavoittuvainen, ja mahdolliset vaikutukset muuttavat sen ulkonäköä.
Kuvittele nyt perhonen, joka muuttaa ulkonäköään yhdellä silmäyksellä. Näin yksittäiset elektronit käyttäytyvät kiinteässä aineessa. Heti kun tutkijat "katsovat" elektronia, sen tila on jo erilainen kuin alkuperäinen. Tämä tosiasia monimutkaistaa merkittävästi kiinteän olomuodon fysiikan tutkimusta - tieteenalaa, joka kuvaa kiinteiden aineiden (kaikki aineet, joilla on kidehila) ominaisuuksia atomien rakenteessa. Tietojen, puhelimien ja monien muiden laitteiden luominen, ilman joita emme voi kuvitella elämää, on tämän tieteen alan ansio.
Jos elektroneja ei voida "nähdä", ne on korvattava jollain suuremmalla, tutkijat päättivät. Elektronien sijaintiehdokkaiden on säilytettävä ominaisuutensa siten, että kiinteän aineen prosesseja kuvaavat yhtälöt pysyvät ennallaan. Atomit erittäin alhaisissa lämpötiloissa ovat tulleet tähän rooliin. Fyysisessä maailmassa lämpötila on analoginen energialle: mitä matalampi se on, sitä liikkumattomammaksi esine muuttuu. Huoneenlämpötilassa ilmassa oleva happiatomi liikkuu useiden satojen metrien sekunnissa, mutta mitä matalampi lämpötila, sitä hitaampi sen nopeus. Maailman minimilämpötilan katsotaan olevan nolla Kelvin-astetta tai miinus 273,15 ° C.
Kiinteän aineen atomien käyttäytymisen vertailu huoneenlämpötilassa ja atomien käyttäytymisen erittäin alhaisissa lämpötiloissa / Kuva RIA Novosti. A. Polyanina
Ylimäräiset atomit jäähdytetään mikrokelviniiniin tai vähemmän, jolloin liikkeen nopeus on vain muutama senttimetri sekunnissa.
Tällaisista atomeista ja optisesta rististä tutkijat ovat luoneet keinotekoisen kiteen, jonka rakenne on samanlainen kuin luonnollisten kiintoaineiden. Hyvin optinen hila, joka ottaa kiinteän aineen hilaroolin, luodaan lasereilla, joiden säteet leikkaavat tietyissä kulmissa. Hallitsemalla lasereiden sijaintia ja niiden tehoa, voidaan jatkuvasti muuttaa hilan geometriaa ja asettamalla lisäkenttä vaihtaa "elektronien" vuorovaikutus heijastusista houkuttelevaksi.
Näin taiteilija kuvittelee keinotekoisen kidehilan / RIA Novostin kuva. A. Polyanina
Mutta kokeiden suorittamiseksi on välttämätöntä hallita elektronien liikettä. Ne ovat alttiita sähkö- ja magneettikentille, koska heillä on varaus. Atomit, jotka korvaavat elektroneja keinotekoisessa kidessä, ovat neutraaleja, joten oli välttämätöntä keksiä korvaava voima, joka hallitsee niitä. Sähkökenttä on korvattu onnistuneesti painovoimalla, joka vastaa elektronin suoraviivaisesta liikkeestä. Kuitenkin elektronit kiertyvät magneettikentässä, niiden etenemissuunta voidaan kuvata spiraalina. Siksi tutkijat loivat synteettisen magneettikentän, jolla on sama vaikutus liikkuviin atomiin kuin todellisella magneettikentällä, mikä on tärkein edellytys peruslakien tutkimiselle.
Mainosvideo:
Kaavio elektronien liikkumisesta sähkömagneettisessa kentässä / Fotolia / Peter Hermes Furian
Siksi fyysikot pystyivät tutkimaan minkä tahansa kiintoaineen (metallit, puolijohteet, dielektrit) ominaisuudet, kokeilemaan niitä ja muuttamaan niitä halutessaan. Osoittautuu, että tutkijat ovat luoneet tietyn "konstruktorin" - järjestelmän, joka simuloi elektronien kvantimaailman ominaisuuksia, mutta on toisin kuin se helposti tutkittavissa.
Muut järjestelmät voidaan koota "kvanttikonstruktorista", mukaan lukien sellaiset, joita ei ole luonnossa. Esimerkiksi, kaikki alkuainehiukkaset jaetaan bosoneihin ja fermioneihin. Bosoneilla on kokonaislukuluvun lukumäärä, ja fermioneilla on puoli-kokonaisluku. Atomien isotooppeja käyttämällä on mahdollista muuntaa elektronit edellä käsitellyssä keinotekoisessa kiinteässä aineessa fermioneista bosoneiksi.
"Kiinteä fysiikan ongelmien lisäksi kylmiin atomeihin perustuvia kvanttikonstruktoreita voidaan käyttää muiden alueiden, esimerkiksi elementtihiukkasfysiikan, ongelmien ratkaisemiseen", selittää SB RAS: n fysiikan instituutin epälineaaristen prosessien laboratorion päätutkija ja Siperian liittovaltion yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen professori. Fysiikan ja matematiikan tohtori Andrey Kolovsky. - Alkuainehiukkasten välinen vuorovaikutus suoritetaan ns. Mittauskenttien kautta. Koulusta tuttu sähkömagneettinen kenttä, joka vastaa latausten välisestä vuorovaikutuksesta, on mittarikentän erityistapaus. Periaatteessa voidaan mallintaa muita kenttiä kuin sähkömagneettisia kenttiä, ja tällaiset tutkimukset ovat jo käynnissä. Toinen alue on astrofysiikka, jossa tutkijat käyttävät kylmiä atomejasimuloi mustien reikien termodynamiikkaa”.
Sellaisia konstruktoreita voidaan käyttää myös kvanttitietokoneiden kokoamiseen, joiden avulla on kätevää tutkia kvanttihiukkasten teleportointia.
Ja katso myös kaukaiseen tulevaisuuteen, 20–40 miljardia vuotta eteenpäin, koska maailmankaikkeus laajenee jatkuvasti ja termodynamiikan lakien mukaan sen lämpötila laskee vähitellen. Ajan myötä se jäähtyy nanokelvineiksi, ja kvantisimulaattoreiden ansiosta pystymme tarkkailemaan sen tilaa heti.