Fraktionerat kvant Hall-tillstånd uppträder i ultrakalla atomer – Physics World

Fraktionerat kvant Hall-tillstånd uppträder i ultrakalla atomer – Physics World

Tidsstämpel: 14 juli 2023 4:00

abstrakt bild av ultrakalla atomer
Ultrakalla atomer manipulerade av lasrar realiserade ett Laughlin-tillstånd, en märklig kvantvätska där varje atom dansar runt sina kongener. (Med tillstånd: Nathan Goldman)

Fysiker vid Harvard University i USA har för första gången skapat en ny starkt interagerande kvantvätska känd som ett Laughlin-tillstånd i en gas av ultrakalla atomer. Tillståndet, som är ett exempel på ett tillstånd av fraktionerad kvant Hall (FQH), hade tidigare setts i system med kondenserad materia och i fotoner, men observationer i atomer hade varit svårfångade på grund av stränga experimentella krav. Eftersom atomsystem är enklare än deras motsvarigheter i kondenserad materia, kan resultatet leda till nya insikter om grundläggande fysik.

"Några av de mest spännande fenomenen inom den kondenserade materiens fysik uppstår när du begränsar elektroner i två dimensioner och applicerar ett starkt magnetfält", förklarar Julian Léonard, en postdoktor i Rubidium Lab vid Harvard och huvudförfattare till en artikel i Natur på det nya verket. "Till exempel kan partiklarna bete sig kollektivt som om de har en laddning som bara är en bråkdel av elementärladdningen - något som inte förekommer någon annanstans i naturen och till och med utesluts av standardmodellen för alla fundamentala partiklar."

Sättet på vilket sådana fraktionerade laddningar uppstår är fortfarande inte helt förstått eftersom det är svårt att studera fasta tillståndssystem i atomär skala. Det är därför det är så önskvärt att studera beteendet hos FQH i syntetiska kvantsystem som kalla atomer, som fungerar som kvantsimulatorer för mer komplexa fenomen med kondenserad materia.

I den senaste studien, till exempel, observerade medlemmar av Harvard-teamet direkt partiklar i deras atomsystem som rörde sig runt varandra i ett cirkulärt mönster, snarare som "dansare i en vals", säger Léonard. "Denna virvelrörelse är för liten för att se i ett fast tillståndsprov, men vi kan lösa det i vårt experiment," säger han Fysikvärlden.

Att få atomer att bete sig mer som elektroner

För att skapa Laughlin-tillståndet använde Léonard och kollegor överlappande laserstrålar för att bilda en periodisk gitterpotential gjord av ljus. De placerade sedan atomer i varje gitterställe och justerade parametrarna för strålarna så att atomerna var fria att "hoppa" mellan platserna. Denna uppställning efterliknar den periodiska potentialen som upplevs av elektroner i ett kristallint fast ämne, förklarar Léonard. "Den enda skillnaden är att vår artificiella kristall är mer än 1000 gånger större, så vi kan observera och kontrollera varje "elektron" med ett optiskt mikroskop, säger han.

En stor utmaning för Harvard-teamet var att efterlikna elektronernas svar på magnetfält. Medan negativt laddade elektroner upplever en kraft (lorenzkraften) i en riktning som är vinkelrät mot deras rörelse när de placeras i ett magnetfält, är atomerna som spelar rollen som elektroner i den nya plattformen elektriskt neutrala, vilket betyder att denna kraft saknas. Forskarna var därför tvungna att "lura" atomerna att bete sig mer som elektroner i ett magnetfält.

För att göra detta förlitade de sig på det faktum att när elektroner kringgår ett magnetfält, förvärvar deras vågfunktion en fas. Detta är känt som Aharonov–Bohm-effekt, och Léonard förklarar att de kunde skapa en motsvarighet i kalla atomer. "I våra experiment använde vi flera laserstrålar som applicerade exakt denna fas på atomernas vågfunktioner", säger han.

Möjlighet att observera vem som helst

Teamet stod också inför utmaningar när det gäller att skapa det starka, exakt konstruerade magnetfältet som krävs för att observera FQH-tillstånd, som tidigare varit utom räckhåll för laboratorieexperiment, tillägger Léonard. "Vi har nu för första gången visat att det är möjligt att studera starkt korrelerade system under ett magnetfält i en kvantsimulator", säger han. ”Det är därför nu möjligt att studera sådana tillstånd på mikroskopisk nivå och få nya insikter i dem. Vi kan till och med upptäcka helt nya fenomen som hittills förblivit otillgängliga.”

Medan antalet atomer i FQH Laughlin-tillståndet som observerats av forskarna är litet, på bara två atomer över 16 gitterplatser, tror teamet att systemstorleken kan ökas. "Ett större system kommer att tillåta oss att få en ännu bättre bild av fysiken som ligger bakom FQH-effekten och en aspekt som vi är särskilt glada över att observera är excitationerna i sådana system", säger Léonard. "Dessa tros varken vara fermioner eller bosoner, utan så kallade anyoner, som är en helt ny typ av partikel som faller utanför vår vanliga klassificering av kvantstatistik."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden