Ułamkowy kwantowy stan Halla pojawia się w ultrazimnych atomach – Physics World

Ułamkowy kwantowy stan Halla pojawia się w ultrazimnych atomach – Physics World

Znacznik czasu: 14 lipca 2023 4:00

abstrakcyjny obraz ultrazimnych atomów
Ultrazimne atomy manipulowane laserami osiągnęły stan Laughlina, osobliwą ciecz kwantową, w której każdy atom tańczy wokół swoich kongenerów. (Dzięki uprzejmości: Nathan Goldman)

Fizycy z Uniwersytetu Harvarda w USA po raz pierwszy stworzyli nową silnie oddziałującą ciecz kwantową znaną jako stan Laughlina w gazie ultrazimnych atomów. Stan, który jest przykładem ułamkowego kwantowego stanu Halla (FQH), był wcześniej obserwowany w układach materii skondensowanej i fotonach, ale obserwacje w atomach były nieuchwytne ze względu na surowe wymagania eksperymentalne. Ponieważ układy atomowe są prostsze niż ich odpowiedniki ze skondensowanej materii, wynik może prowadzić do nowego wglądu w fundamentalną fizykę.

„Niektóre z najbardziej intrygujących zjawisk w fizyce materii skondensowanej pojawiają się, gdy ograniczamy elektrony do dwóch wymiarów i stosujemy silne pole magnetyczne” — wyjaśnia Juliana Leonarda, doktor habilitowany w Rubidium Lab na Harvardzie i główny autor artykułu pt Natura nad nową pracą. „Na przykład cząstki mogą zachowywać się zbiorowo, tak jakby miały ładunek, który stanowi tylko ułamek ładunku elementarnego – coś, co nie występuje nigdzie indziej w przyrodzie, a nawet jest wykluczone przez Model Standardowy dla wszystkich cząstek elementarnych”.

Sposób, w jaki powstają takie ładunki ułamkowe, wciąż nie jest w pełni zrozumiały, ponieważ trudno jest badać układy w stanie stałym w skali atomowej. Dlatego tak pożądane jest badanie zachowania FQH w syntetycznych układach kwantowych, takich jak zimne atomy, które działają jako symulatory kwantowe dla bardziej złożonych zjawisk skondensowanej materii.

Na przykład w najnowszym badaniu członkowie zespołu z Harvardu bezpośrednio obserwowali cząsteczki w ich układzie atomowym poruszające się wokół siebie po okręgu, przypominając raczej „tancerzy w walcu”, mówi Léonard. „Ten ruch wirowy jest zbyt mały, aby można go było zobaczyć w próbce ciała stałego, ale jesteśmy w stanie rozwiązać go w naszym eksperymencie” – mówi. Świat Fizyki.

Sprawianie, by atomy zachowywały się bardziej jak elektrony

Aby stworzyć stan Laughlina, Léonard i współpracownicy użyli nakładających się wiązek laserowych, aby utworzyć okresowy potencjał sieciowy wykonany ze światła. Następnie umieścili atomy w każdym miejscu sieci i dostroili parametry wiązek tak, aby atomy mogły swobodnie „przeskakiwać” między miejscami. Ta konfiguracja naśladuje okresowy potencjał elektronów w krystalicznym ciele stałym, wyjaśnia Léonard. „Jedyna różnica polega na tym, że nasz sztuczny kryształ jest ponad 1000 razy większy, więc możemy obserwować i kontrolować każdy „elektron” za pomocą mikroskopu optycznego” – mówi.

Jednym z głównych wyzwań dla zespołu z Harvardu było naśladowanie reakcji elektronów na pola magnetyczne. Podczas gdy na ujemnie naładowane elektrony oddziałuje siła (siła Lorenza) w kierunku prostopadłym do ich ruchu po umieszczeniu w polu magnetycznym, atomy pełniące rolę elektronów w nowej platformie są elektrycznie obojętne, co oznacza, że ​​ta siła nie występuje. Dlatego naukowcy musieli „oszukać” atomy, aby zachowywały się bardziej jak elektrony w polu magnetycznym.

Aby to zrobić, oparli się na fakcie, że kiedy elektrony okrążają pole magnetyczne, ich funkcja falowa przyjmuje fazę. Jest to znane jako Efekt Aharonova-Bohma, a Léonard wyjaśnia, że ​​byli w stanie stworzyć odpowiednik w zimnych atomach. „W naszych eksperymentach wykorzystaliśmy kilka wiązek laserowych, które zastosowały dokładnie tę fazę do funkcji falowych atomów” – mówi.

Możliwość obserwowania dowolnych osób

Zespół stanął również przed wyzwaniami związanymi z tworzeniem silnego, precyzyjnie zaprojektowanego pola magnetycznego wymaganego do obserwacji stanów FQH, które wcześniej pozostawały poza zasięgiem eksperymentów laboratoryjnych, dodaje Léonard. „Po raz pierwszy pokazaliśmy, że możliwe jest badanie silnie skorelowanych układów w polu magnetycznym w symulatorze kwantowym” – mówi. „Dlatego teraz możliwe jest badanie takich stanów na poziomie mikroskopowym i zebranie nowych informacji na ich temat. Być może odkryjemy nawet zupełnie nowe zjawiska, które do tej pory były niedostępne”.

Podczas gdy liczba atomów w stanie FQH Laughlina zaobserwowana przez naukowców jest niewielka i wynosi zaledwie dwa atomy w 16 miejscach sieci, zespół uważa, że ​​rozmiar systemu można zwiększyć. „Większy system pozwoli nam uzyskać jeszcze lepszy wgląd w fizykę, która leży u podstaw efektu FQH, a jednym z aspektów, które szczególnie nas ekscytują, są wzbudzenia w takich układach” – mówi Léonard. „Uważa się, że nie są to ani fermiony, ani bozony, ale tak zwane anyony, które są zupełnie nowym rodzajem cząstek, które wykraczają poza naszą zwykłą klasyfikację statystyki kwantowej”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki