حالت هال کوانتومی کسری در اتم های فوق سرد ظاهر می شود - دنیای فیزیک

فیزیکدانان دانشگاه هاروارد در ایالات متحده برای اولین بار یک مایع کوانتومی جدید با تعامل قوی به نام حالت لافلین در گازی از اتم های فوق سرد ایجاد کرده اند. این حالت، که نمونه‌ای از حالت هال کوانتومی کسری (FQH) است، قبلاً در سیستم‌های ماده متراکم و در فوتون‌ها دیده شده بود، اما مشاهدات در اتم‌ها به دلیل الزامات تجربی سخت‌گیرانه مبهم بود. از آنجایی که سیستم‌های اتمی ساده‌تر از همتایان خود با ماده متراکم هستند، نتیجه می‌تواند به بینش‌هایی تازه از فیزیک بنیادی منجر شود.

توضیح می‌دهد: «برخی از جذاب‌ترین پدیده‌ها در فیزیک ماده متراکم زمانی پدیدار می‌شوند که شما الکترون‌ها را در دو بعد محدود می‌کنید و یک میدان مغناطیسی قوی اعمال می‌کنید.» جولیان لئونارد، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه روبیدیوم در هاروارد و نویسنده اصلی مقاله در طبیعت روی کار جدید به عنوان مثال، ذرات می توانند بطور جمعی طوری رفتار کنند که گویی باری دارند که تنها کسری از بار اولیه است - چیزی که در هیچ جای دیگر طبیعت رخ نمی دهد و حتی توسط مدل استاندارد برای همه ذرات بنیادی رد شده است.

نحوه ایجاد چنین بارهای کسری هنوز به طور کامل درک نشده است زیرا مطالعه سیستم های حالت جامد در مقیاس اتمی دشوار است. به همین دلیل است که مطالعه رفتار FQH ها در سیستم های کوانتومی مصنوعی مانند اتم های سرد که به عنوان شبیه ساز کوانتومی برای پدیده های پیچیده تر ماده متراکم عمل می کنند، بسیار مطلوب است.

لئونارد می‌گوید در آخرین مطالعه، برای مثال، اعضای تیم هاروارد مستقیماً ذرات سیستم اتمی خود را مشاهده کردند که در یک الگوی دایره‌ای در اطراف یکدیگر حرکت می‌کردند، به‌عنوان مثال، لئونارد. او می گوید: «این حرکت گردابی برای دیدن در یک نمونه حالت جامد بسیار کوچک است، اما ما می توانیم آن را در آزمایش خود حل کنیم. دنیای فیزیک.

ساخت اتم ها بیشتر شبیه الکترون ها رفتار می کنند

برای ایجاد حالت لافلین، لئونارد و همکارانش از پرتوهای لیزری همپوشانی برای تشکیل یک پتانسیل شبکه تناوبی ساخته شده از نور استفاده کردند. سپس اتم‌ها را در هر محل شبکه قرار دادند و پارامترهای پرتوها را به گونه‌ای تنظیم کردند که اتم‌ها آزادانه بین سایت‌ها «پرش» داشته باشند. لئونارد توضیح می دهد که این تنظیم پتانسیل تناوبی تجربه شده توسط الکترون ها در یک جامد کریستالی را تقلید می کند. او می گوید: "تنها تفاوت این است که کریستال مصنوعی ما بیش از 1000 برابر بزرگتر است، بنابراین می توانیم هر "الکترون" را با یک میکروسکوپ نوری مشاهده و کنترل کنیم."

یکی از چالش های اصلی تیم هاروارد تقلید پاسخ الکترون ها به میدان های مغناطیسی بود. در حالی که الکترون‌های با بار منفی وقتی در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، نیرویی (نیروی لورنز) را در جهتی عمود بر حرکت خود تجربه می‌کنند، اتم‌هایی که نقش الکترون‌ها را در سکوی جدید بازی می‌کنند، از نظر الکتریکی خنثی هستند، به این معنی که این نیرو وجود ندارد. بنابراین، محققان مجبور شدند اتم‌ها را فریب دهند تا بیشتر شبیه الکترون‌ها در میدان مغناطیسی رفتار کنند.

برای انجام این کار، آنها بر این واقعیت تکیه کردند که وقتی الکترون ها دور یک میدان مغناطیسی می چرخند، تابع موج آنها یک فاز می گیرد. این به عنوان شناخته شده است اثر آهارونوف-بومو لئونارد توضیح می دهد که آنها توانستند معادلی در اتم های سرد ایجاد کنند. او می‌گوید: «در آزمایش‌های خود، از چندین پرتو لیزر استفاده کردیم که دقیقاً این فاز را بر توابع موج اتم‌ها اعمال می‌کرد.

سوراخ ها اولین کوانتیزاسیون کسری را نشان می دهند

امکان مشاهده هر کسی

لئونارد می افزاید، تیم همچنین در ایجاد میدان مغناطیسی قوی و مهندسی شده مورد نیاز برای مشاهده حالت های FQH، که قبلاً برای آزمایش های آزمایشگاهی دور از دسترس بود، با چالش هایی روبرو شد. او می‌گوید: «اکنون برای اولین بار نشان داده‌ایم که امکان مطالعه سیستم‌های همبسته قوی تحت یک میدان مغناطیسی در یک شبیه‌ساز کوانتومی وجود دارد. بنابراین اکنون می توان چنین حالت هایی را در سطح میکروسکوپی مورد مطالعه قرار داد و بینش های جدیدی در مورد آنها به دست آورد. ما حتی ممکن است پدیده های کاملا جدیدی را کشف کنیم که تاکنون غیرقابل دسترس باقی مانده اند.»

در حالی که تعداد اتم‌های موجود در حالت FQH Laughlin که توسط محققان مشاهده شد، کوچک است، تنها در دو اتم در 16 سایت شبکه، تیم بر این باور است که اندازه سیستم می‌تواند افزایش یابد. لئونارد می‌گوید: «یک سیستم بزرگ‌تر به ما امکان می‌دهد دید بهتری از فیزیک که زیربنای اثر FQH است به دست آوریم و یکی از جنبه‌هایی که ما به‌ویژه از مشاهده آن هیجان‌زده هستیم، برانگیختگی‌های چنین سیستم‌هایی است». اعتقاد بر این است که اینها نه فرمیون‌ها و نه بوزون‌ها هستند، بلکه به اصطلاح آنیون‌ها هستند که نوع کاملاً جدیدی از ذرات هستند که خارج از طبقه‌بندی معمول ما از آمار کوانتومی قرار دارند.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/fractional-quantum-hall-state-appears-in-ultracold-atoms/