Frakcijsko kvantno Hallovo stanje se pojavi v ultrahladnih atomih – Svet fizike

Frakcijsko kvantno Hallovo stanje se pojavi v ultrahladnih atomih – Svet fizike

Časovni žig: 14. julij 2023 4

abstraktna slika ultrahladnih atomov
Ultrahladni atomi, ki jih upravljajo laserji, so realizirali Laughlinovo stanje, posebno kvantno tekočino, kjer vsak atom pleše okoli svojih sorodnikov. (Z dovoljenjem: Nathan Goldman)

Fiziki na univerzi Harvard v ZDA so prvič ustvarili novo kvantno tekočino z močnim medsebojnim delovanjem, znano kot Laughlinovo stanje v plinu ultrahladnih atomov. Stanje, ki je primer frakcijskega kvantnega Hallovega stanja (FQH), je bilo prej vidno v sistemih kondenzirane snovi in ​​v fotonih, vendar so bila opazovanja v atomih nedosegljiva zaradi strogih eksperimentalnih zahtev. Ker so atomski sistemi enostavnejši od svojih primerkov iz kondenzirane snovi, bi rezultat lahko vodil do novih vpogledov v temeljno fiziko.

"Nekateri najbolj zanimivi pojavi v fiziki kondenzirane snovi se pojavijo, ko omejite elektrone v dveh dimenzijah in uporabite močno magnetno polje," pojasnjuje Julian Léonard, podoktorska raziskovalka na Rubidium Lab na Harvardu in glavni avtor prispevka v Narava na novem delu. "Na primer, delci se lahko skupaj obnašajo, kot da imajo naboj, ki je le del osnovnega naboja - nekaj, kar se ne pojavlja nikjer drugje v naravi in ​​ga standardni model celo izključuje za vse osnovne delce."

Način, na katerega nastanejo takšni delni naboji, še vedno ni povsem razumljen, ker je težko preučevati trdne sisteme na atomski lestvici. Zato je tako zaželeno preučevati obnašanje FQH v sintetičnih kvantnih sistemih, kot so hladni atomi, ki delujejo kot kvantni simulatorji za kompleksnejše pojave kondenzirane snovi.

V najnovejši študiji so na primer člani harvardske ekipe neposredno opazovali delce v svojem atomskem sistemu, ki se gibljejo drug okoli drugega v krožnem vzorcu, podobno kot "plesalci v valčku", pravi Léonard. "To vrtinčno gibanje je premajhno, da bi ga videli v vzorcu v trdnem stanju, vendar ga lahko razrešimo v našem eksperimentu," pravi Svet fizike.

Da se atomi obnašajo bolj kot elektroni

Da bi ustvarili Laughlinovo stanje, so Léonard in njegovi sodelavci uporabili prekrivajoče se laserske žarke, da bi oblikovali periodični mrežni potencial iz svetlobe. Nato so postavili atome v vsako mesto rešetke in prilagodili parametre žarkov, tako da so lahko atomi prosto "skakali" med mesti. Ta postavitev posnema periodični potencial, ki ga doživljajo elektroni v kristalni trdni snovi, pojasnjuje Léonard. "Edina razlika je v tem, da je naš umetni kristal več kot 1000-krat večji, tako da lahko vsak 'elektron' opazujemo in nadzorujemo z optičnim mikroskopom," pravi.

Eden glavnih izzivov za ekipo s Harvarda je bilo posnemanje odziva elektronov na magnetna polja. Medtem ko na negativno nabite elektrone deluje sila (Lorenzova sila) v smeri, ki je pravokotna na njihovo gibanje, ko so postavljeni v magnetno polje, so atomi, ki igrajo vlogo elektronov v novi platformi, električno nevtralni, kar pomeni, da te sile ni. Raziskovalci so zato morali "pretentati" atome, da so se obnašali bolj kot elektroni v magnetnem polju.

Za to so se zanašali na dejstvo, da ko elektroni obkrožijo magnetno polje, njihova valovna funkcija pridobi fazo. To je znano kot Aharonov-Bohmov učinek, in Léonard pojasnjuje, da jim je uspelo ustvariti ekvivalent v hladnih atomih. »V naših poskusih smo uporabili več laserskih žarkov, ki so natančno to fazo uporabili za valovne funkcije atomov,« pravi.

Možnost opazovanja kogar koli

Ekipa se je soočila tudi z izzivi pri ustvarjanju močnega, natančno zasnovanega magnetnega polja, potrebnega za opazovanje stanj FQH, ki so prej ostala nedosegljiva za laboratorijske poskuse, dodaja Léonard. "Zdaj smo prvič pokazali, da je mogoče preučevati močno korelirane sisteme pod magnetnim poljem v kvantnem simulatorju," pravi. »Zato je zdaj mogoče proučevati takšna stanja na mikroskopski ravni in vanje pridobiti nove vpoglede. Morda bomo celo odkrili povsem nove pojave, ki so bili doslej nedostopni.«

Medtem ko je število atomov v FQH Laughlinovem stanju, ki so ga opazili raziskovalci, majhno, le dva atoma na 16 mrežnih mestih, skupina meni, da bi lahko velikost sistema povečali. "Večji sistem nam bo omogočil še boljši vpogled v fiziko, ki je osnova učinka FQH, in en vidik, ki ga še posebej veselimo, so vzbujanja v takih sistemih," pravi Léonard. "Verjamemo, da to niso niti fermioni niti bozoni, ampak tako imenovani anyoni, ki so popolnoma nova vrsta delcev, ki ne spadajo v našo običajno klasifikacijo kvantne statistike."

Časovni žig:

Več od Svet fizike