초저온 원자에서 분수 양자 홀 상태가 나타납니다.

미국 하버드 대학의 물리학자들은 초저온 원자 가스에서 처음으로 라플린 상태(Laughlin state)로 알려진 강력하게 상호 작용하는 새로운 양자 액체를 만들었습니다. 분수 양자 홀(FQH) 상태의 예인 이 상태는 이전에 응집 물질 시스템과 광자에서 볼 수 있었지만 원자에서의 관찰은 엄격한 실험 요구 사항으로 인해 파악하기 어려웠습니다. 원자 시스템은 응축 물질 시스템보다 단순하기 때문에 그 결과는 기본 물리학에 대한 새로운 통찰력으로 이어질 수 있습니다.

"응집물질 물리학에서 가장 흥미로운 현상 중 일부는 전자를 XNUMX차원에 가두어 강한 자기장을 가할 때 나타납니다."라고 설명합니다. 줄리안 레오나드, 박사후 연구원 하버드 루비듐 연구소 그리고 한 논문의 수석 저자입니다. 자연 새로운 일에. 예를 들어, 입자들은 마치 기본 전하의 극히 일부에 불과한 전하를 갖고 있는 것처럼 집단적으로 행동할 수 있습니다. 이는 자연의 다른 곳에서는 발생하지 않으며 모든 기본 입자에 대한 표준 모델에서도 배제되는 전하입니다.

이러한 부분 전하가 발생하는 방식은 원자 규모에서 고체 시스템을 연구하기 어렵기 때문에 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 이것이 바로 더 복잡한 응집 물질 현상에 대한 양자 시뮬레이터 역할을 하는 차가운 원자와 같은 합성 양자 시스템에서 FQH의 동작을 연구하는 것이 매우 바람직한 이유입니다.

예를 들어, 최근 연구에서 하버드 연구팀은 원자 시스템의 입자가 "왈츠를 추는 댄서"처럼 원형 패턴으로 서로 움직이는 것을 직접 관찰했다고 Léonard는 말합니다. "이 소용돌이 운동은 너무 작아서 고체 샘플에서 볼 수 없지만 실험에서 해결할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계.

원자를 전자처럼 행동하게 만들기

Laughlin 상태를 만들기 위해 Léonard와 동료들은 겹치는 레이저 빔을 사용하여 빛으로 만들어진 주기적인 격자 전위를 형성했습니다. 그런 다음 그들은 원자를 각 격자 위치에 배치하고 원자가 위치 사이를 자유롭게 "홉"할 수 있도록 빔의 매개변수를 조정했습니다. 이 설정은 결정질 고체에서 전자가 경험하는 주기적인 전위를 모방한다고 Léonard는 설명합니다. "유일한 차이점은 인공 결정이 1000배 이상 크기 때문에 광학 현미경으로 각 '전자'를 관찰하고 제어할 수 있다는 것입니다."라고 그는 말합니다.

하버드 연구팀의 주요 과제 중 하나는 자기장에 대한 전자의 반응을 모방하는 것이었습니다. 음전하를 띤 전자는 자기장에 놓였을 때 운동에 수직인 방향으로 힘(로렌츠 힘)을 경험하지만, 새로운 플랫폼에서 전자 역할을 하는 원자는 전기적으로 중성입니다. 즉, 이 힘이 없다는 뜻입니다. 따라서 연구자들은 원자가 자기장에서 전자처럼 행동하도록 "속임"해야 했습니다.

이를 위해 그들은 전자가 자기장을 일주할 때 전자의 파동함수가 위상을 획득한다는 사실에 의존했습니다. 이는 다음과 같이 알려져 있습니다. 아하로노프-봄 효과, 그리고 Léonard는 차가운 원자에서 등가물을 만들 수 있었다고 설명합니다. “우리 실험에서 우리는 원자의 파동함수에 정확히 이 위상을 적용하는 여러 레이저 빔을 사용했습니다.”라고 그는 말합니다.

구멍은 첫 번째 분수 양자화를 나타냅니다.

누구든지 관찰할 수 있는 가능성

연구팀은 또한 이전에 실험실 실험에서는 접근할 수 없었던 FQH 상태를 관찰하는 데 필요한 강력하고 정밀하게 설계된 자기장을 생성하는 데 어려움을 겪었다고 Léonard는 덧붙였습니다. “우리는 양자 시뮬레이터의 자기장 하에서 강하게 상관된 시스템을 연구하는 것이 가능하다는 것을 처음으로 보여주었습니다.”라고 그는 말합니다. “따라서 이제 그러한 상태를 미시적 수준에서 연구하고 그에 대한 새로운 통찰력을 얻는 것이 가능해졌습니다. 우리는 지금까지 접근할 수 없었던 완전히 새로운 현상을 발견할 수도 있습니다.”

연구원들이 관찰한 FQH 라플린 상태의 원자 수는 적지만 16개 격자 위치에 걸쳐 단 XNUMX개의 원자만 존재하므로 팀은 시스템 크기가 증가할 수 있다고 믿습니다. "더 큰 시스템을 통해 우리는 FQH 효과의 기초가 되는 물리학에 대해 훨씬 더 나은 시각을 얻을 수 있게 될 것이며 우리가 특히 관찰하게 된 한 가지 흥미로운 측면은 그러한 시스템의 자극입니다"라고 Léonard는 말합니다. "이것들은 페르미온이나 보존이 아닌 소위 애니온(anyons)으로 여겨지며, 이는 일반적인 양자 통계 분류에 속하지 않는 완전히 새로운 유형의 입자입니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/fractional-quantum-hall-state-appears-in-ultracold-atoms/