A törtkvantum Hall állapot megjelenik az ultrahideg atomokban – Fizika világa

A törtkvantum Hall állapot megjelenik az ultrahideg atomokban – Fizika világa

Időbélyeg: 14. július 2023. 4:00

ultrahideg atomok absztrakt képe
A lézerekkel manipulált ultrahideg atomok Laughlin állapotot hoztak létre, egy sajátos kvantumfolyadékot, ahol minden atom a rokonai körül táncol. (Jó: Nathan Goldman)

Az amerikai Harvard Egyetem fizikusai először hoztak létre egy új, erős kölcsönhatású kvantumfolyadékot, amelyet Laughlin-állapotnak neveznek ultrahideg atomokból álló gázban. Az állapotot, amely a frakcionált kvantum Hall (FQH) állapot példája, korábban kondenzált anyagú rendszerekben és fotonokban is megfigyelték, de az atomok megfigyelése a szigorú kísérleti követelmények miatt megfoghatatlan volt. Mivel az atomi rendszerek egyszerűbbek, mint a kondenzált anyagokból álló társaik, az eredmény új betekintést nyerhet az alapvető fizikába.

„A kondenzált anyag fizikájának néhány legérdekesebb jelensége akkor jön létre, amikor az elektronokat két dimenzióba zárjuk, és erős mágneses teret alkalmazunk” – magyarázza. Julian Leonard, posztdoktori kutató a Rubidium Lab a Harvardon és egy tanulmány vezető szerzője Természet az új műről. "Például, a részecskék együttesen úgy viselkedhetnek, mintha töltésük csak töredéke lenne az elemi töltésnek – ami a természetben máshol nem fordul elő, és a Standard Modell szerint minden alapvető részecske esetében kizárt."

Az ilyen törttöltések keletkezésének módja még mindig nem teljesen ismert, mert nehéz a szilárdtestrendszereket atomi léptékben tanulmányozni. Ez az oka annak, hogy annyira kívánatos az FQH-k viselkedésének tanulmányozása szintetikus kvantumrendszerekben, például hideg atomokban, amelyek kvantumszimulátorként működnek bonyolultabb kondenzált anyag jelenségeknél.

A legfrissebb tanulmányban például a Harvard csapatának tagjai közvetlenül megfigyelték az atomrendszerükben lévő részecskéket, amelyek körkörös mintázatban mozognak egymás körül, mint a „táncosok a keringőben” – mondja Léonard. "Ez az örvénymozgás túl kicsi ahhoz, hogy szilárdtestmintában láthassuk, de a kísérletünkben meg tudjuk oldani" - mondja. Fizika Világa.

Az atomok elektronként viselkednek

A Laughlin-állapot létrehozásához Léonard és munkatársai egymást átfedő lézersugarak segítségével periodikus rácspotenciált képeztek fényből. Ezután atomokat helyeztek el minden rácshelyre, és úgy hangolták a nyalábok paramétereit, hogy az atomok szabadon „ugrálhassanak” a helyek között. Ez a beállítás utánozza a kristályos szilárd testben az elektronok által tapasztalt periodikus potenciált, magyarázza Léonard. „Az egyetlen különbség az, hogy a mesterséges kristályunk több mint 1000-szer nagyobb, így minden egyes „elektront” megfigyelhetünk és irányíthatunk optikai mikroszkóppal” – mondja.

A Harvard csapatának egyik legnagyobb kihívása az volt, hogy utánozzák az elektronok reakcióját a mágneses mezőkre. Míg a negatív töltésű elektronok a mozgásukra merőleges irányú erőt (Lorenz-erőt) fejtenek ki, amikor mágneses térbe helyezik őket, addig az új platformon az elektronok szerepét betöltő atomok elektromosan semlegesek, vagyis ez az erő hiányzik. A kutatóknak ezért „becsapniuk” kellett az atomokat, hogy inkább elektronokhoz hasonlóan viselkedjenek a mágneses térben.

Ehhez arra támaszkodtak, hogy amikor az elektronok megkerülik a mágneses teret, hullámfüggvényük fázist kap. Ez az úgynevezett Aharonov-Bohm effektus, és Léonard elmagyarázza, hogy képesek voltak megfelelőt létrehozni a hideg atomokban. „Kísérleteink során számos lézersugarat használtunk, amelyek pontosan ezt a fázist alkalmazták az atomok hullámfüggvényeire” – mondja.

Bárki megfigyelésének lehetősége

A csapatnak kihívásokkal kellett szembenéznie az FQH állapotok megfigyeléséhez szükséges erős, pontosan megtervezett mágneses tér létrehozása során is, amely korábban a laboratóriumi kísérletek számára elérhetetlen volt – teszi hozzá Léonard. „Most mutattuk meg először, hogy lehetséges erősen korrelált rendszerek vizsgálata mágneses térben kvantumszimulátorban” – mondja. „Ezért most már lehetőség van az ilyen állapotok mikroszkopikus szintű tanulmányozására, és új betekintést nyerni belőlük. Akár teljesen új jelenségeket is felfedezhetünk, amelyek eddig elérhetetlenek maradtak.”

Míg a kutatók által megfigyelt FQH Laughlin állapotú atomok száma kicsi, mindössze két atom a 16 rácshelyen, a csapat úgy véli, hogy a rendszer mérete növelhető. "Egy nagyobb rendszer lehetővé teszi számunkra, hogy még jobb képet kapjunk az FQH hatás mögött meghúzódó fizikáról, és az egyik szempont, amelyet különösen izgatottan figyelünk meg, az ilyen rendszerekben lévő gerjesztések" - mondja Léonard. „Úgy gondolják, hogy ezek nem fermionok vagy bozonok, hanem úgynevezett anyonok, amelyek egy teljesen új típusú részecskék, amelyek kívül esnek a kvantumstatisztika szokásos osztályozásán.”

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa