Fraktionel kvante Hall-tilstand vises i ultrakolde atomer - Physics World

Fraktionel kvante Hall-tilstand vises i ultrakolde atomer - Physics World

Tidsstempel: 14. juli 2023 kl. 4

abstrakt billede af ultrakolde atomer
Ultrakolde atomer manipuleret af lasere realiserede en Laughlin-tilstand, en ejendommelig kvantevæske, hvor hvert atom danser rundt om dets congenere. (Med høflighed: Nathan Goldman)

Fysikere ved Harvard University i USA har for første gang skabt en ny stærkt interagerende kvantevæske kendt som en Laughlin-tilstand i en gas af ultrakolde atomer. Tilstanden, som er et eksempel på en fraktioneret kvante Hall (FQH) tilstand, var tidligere blevet set i kondenseret stof systemer og i fotoner, men observationer i atomer havde været undvigende på grund af strenge eksperimentelle krav. Fordi atomsystemer er enklere end deres modstykker af kondenseret stof, kan resultatet føre til ny indsigt i grundlæggende fysik.

"Nogle af de mest spændende fænomener inden for kondenseret stofs fysik dukker op, når du begrænser elektroner i to dimensioner og anvender et stærkt magnetfelt," forklarer Julian Léonard, en postdoc-forsker i Rubidium Lab på Harvard og hovedforfatteren af ​​et papir i Natur på det nye værk. "For eksempel kan partiklerne opføre sig kollektivt, som om de har en ladning, der kun er en brøkdel af den elementære ladning - noget, der ikke forekommer andre steder i naturen og endda er udelukket af standardmodellen for alle fundamentale partikler."

Den måde, hvorpå sådanne fraktionelle ladninger opstår, er stadig ikke fuldt ud forstået, fordi det er vanskeligt at studere faststofsystemer på atomær skala. Det er derfor, det er så ønskeligt at studere adfærden af ​​FQH'er i syntetiske kvantesystemer såsom kolde atomer, der fungerer som kvantesimulatorer for mere komplekse kondenserede fænomener.

I den seneste undersøgelse observerede medlemmer af Harvard-teamet for eksempel direkte partikler i deres atomsystem, der bevægede sig rundt om hinanden i et cirkulært mønster, snarere som "dansere i en vals", siger Léonard. "Denne hvirvelbevægelse er for lille til at se i en faststofprøve, men vi er i stand til at løse den i vores eksperiment," fortæller han Fysik verden.

At få atomer til at opføre sig mere som elektroner

For at skabe Laughlin-tilstanden brugte Léonard og kolleger overlappende laserstråler til at danne et periodisk gitterpotentiale lavet af lys. De placerede derefter atomer i hvert gittersted og indstillede parametrene for bjælkerne, så atomerne var frie til at "hoppe" mellem steder. Denne opsætning efterligner det periodiske potentiale, der opleves af elektroner i et krystallinsk fast stof, forklarer Léonard. "Den eneste forskel er, at vores kunstige krystal er mere end 1000 gange større, så vi kan observere og kontrollere hver 'elektron' med et optisk mikroskop," siger han.

En stor udfordring for Harvard-holdet var at efterligne elektronernes reaktion på magnetfelter. Mens negativt ladede elektroner oplever en kraft (Lorenz-kraften) i en retning vinkelret på deres bevægelse, når de placeres i et magnetfelt, er atomerne, der spiller rollen som elektroner i den nye platform, elektrisk neutrale, hvilket betyder, at denne kraft er fraværende. Forskerne måtte derfor "narre" atomerne til at opføre sig mere som elektroner i et magnetfelt.

For at gøre dette stolede de på det faktum, at når elektroner omgår et magnetfelt, erhverver deres bølgefunktion en fase. Dette er kendt som Aharonov-Bohm effekt, og Léonard forklarer, at de var i stand til at skabe en ækvivalent i kolde atomer. "I vores eksperimenter gjorde vi brug af flere laserstråler, der anvendte præcis denne fase på atomernes bølgefunktioner," siger han.

Mulighed for at observere nogen

Holdet stod også over for udfordringer med at skabe det stærke, præcist konstruerede magnetfelt, der kræves for at observere FQH-tilstande, som tidligere var uden for rækkevidde for laboratorieeksperimenter, tilføjer Léonard. "Vi har nu for første gang vist, at det er muligt at studere stærkt korrelerede systemer under et magnetfelt i en kvantesimulator," siger han. ”Det er derfor nu muligt at studere sådanne tilstande på et mikroskopisk niveau og få ny indsigt i dem. Vi kan endda opdage helt nye fænomener, som indtil videre er forblevet utilgængelige."

Mens antallet af atomer i FQH Laughlin-tilstanden observeret af forskerne er lille, med kun to atomer på tværs af 16 gittersteder, mener holdet, at systemstørrelsen kan øges. "Et større system vil give os mulighed for at få et endnu bedre overblik over den fysik, der ligger til grund for FQH-effekten, og et aspekt, vi er særligt spændte på at observere, er excitationerne i sådanne systemer," siger Léonard. "Disse menes at være hverken fermioner eller bosoner, men såkaldte anyoner, som er en helt ny type partikel, der falder uden for vores sædvanlige klassifikation af kvantestatistik."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden