สถานะควอนตัมฮอลล์เศษส่วนปรากฏในอะตอมที่เย็นจัด - โลกฟิสิกส์

สถานะควอนตัมฮอลล์เศษส่วนปรากฏในอะตอมที่เย็นจัด - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 14 กรกฎาคม 2023 4:00 น

ภาพนามธรรมของอะตอม ultracold
อะตอมที่เย็นจัดเป็นพิเศษซึ่งถูกควบคุมโดยเลเซอร์ทำให้เกิดสถานะของลาฟลิน ซึ่งเป็นของเหลวควอนตัมที่แปลกประหลาด ซึ่งแต่ละอะตอมจะเต้นรำไปรอบ ๆ กลุ่มกำเนิดของมัน (มารยาท: นาธานโกลด์แมน)

นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาได้สร้างของเหลวควอนตัมซึ่งมีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงที่เรียกว่าสถานะลาฟลินในก๊าซของอะตอมที่เย็นจัดเป็นครั้งแรก สถานะซึ่งเป็นตัวอย่างของสถานะควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วน (FQH) ก่อนหน้านี้เคยพบเห็นในระบบสสารควบแน่นและในโฟตอน แต่การสังเกตในอะตอมนั้นเข้าใจยากเนื่องจากข้อกำหนดในการทดลองที่เข้มงวด เนื่องจากระบบของอะตอมนั้นง่ายกว่าระบบของสสารควบแน่น ผลลัพธ์ที่ได้อาจนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกที่สดใหม่เกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐาน

“ปรากฏการณ์บางอย่างที่น่าสนใจที่สุดในฟิสิกส์ของสสารควบแน่นเกิดขึ้นเมื่อคุณจำกัดอิเล็กตรอนในสองมิติและใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง” อธิบาย จูเลียน ลีโอนาร์ดนักวิจัยหลังปริญญาเอกใน ห้องทดลองรูบิเดียมที่ฮาร์วาร์ด และผู้เขียนนำบทความใน ธรรมชาติ เกี่ยวกับงานใหม่ "ตัวอย่างเช่น อนุภาคสามารถทำงานร่วมกันราวกับว่าพวกมันมีประจุที่เป็นเพียงเศษเสี้ยวของประจุพื้นฐาน ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เกิดขึ้นที่อื่นในธรรมชาติ และแม้แต่แบบจำลองมาตรฐานก็ตัดออกสำหรับอนุภาคมูลฐานทั้งหมด"

วิธีที่ประจุเศษส่วนดังกล่าวเกิดขึ้นยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากเป็นการยากที่จะศึกษาระบบโซลิดสเตตในระดับอะตอม ด้วยเหตุนี้จึงเป็นที่ต้องการอย่างยิ่งที่จะศึกษาพฤติกรรมของ FQH ในระบบควอนตัมสังเคราะห์ เช่น อะตอมเย็น ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวจำลองควอนตัมสำหรับปรากฏการณ์สสารควบแน่นที่ซับซ้อนมากขึ้น

ตัวอย่างเช่น ในการศึกษาล่าสุด สมาชิกของทีม Harvard สังเกตเห็นอนุภาคในระบบอะตอมของพวกมันโดยตรงซึ่งเคลื่อนที่รอบกันและกันในรูปแบบวงกลม ค่อนข้างเหมือนกับ "นักเต้นในเพลงวอลทซ์" Léonard กล่าว "การเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนนี้เล็กเกินไปที่จะมองเห็นในตัวอย่างโซลิดสเตต แต่เราสามารถแก้ไขได้ในการทดลองของเรา" เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

การทำให้อะตอมมีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กตรอนมากขึ้น

ในการสร้างรัฐลาฟลิน ลีโอนาร์ดและเพื่อนร่วมงานใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ทับซ้อนกันเพื่อสร้างศักย์ตาข่ายเป็นช่วงๆ ที่ทำจากแสง จากนั้นจึงวางอะตอมลงในแต่ละไซต์แลตทิซและปรับพารามิเตอร์ของคานเพื่อให้อะตอมมีอิสระในการ "กระโดด" ระหว่างไซต์ต่างๆ การตั้งค่านี้เลียนแบบศักยภาพเป็นระยะที่อิเล็กตรอนพบในของแข็งที่เป็นผลึก Léonard อธิบาย “ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือคริสตัลเทียมของเรามีขนาดใหญ่กว่า 1000 เท่า เราจึงสามารถสังเกตและควบคุม 'อิเล็กตรอน' แต่ละตัวได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง” เขากล่าว

ความท้าทายที่สำคัญประการหนึ่งสำหรับทีมฮาร์วาร์ดคือการเลียนแบบการตอบสนองของอิเล็กตรอนต่อสนามแม่เหล็ก ในขณะที่อิเล็กตรอนที่มีประจุลบสัมผัสกับแรง (แรงลอเรนซ์) ในทิศทางที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็ก อะตอมที่มีบทบาทเป็นอิเล็กตรอนในแท่นใหม่จะเป็นกลางทางไฟฟ้า หมายความว่าไม่มีแรงนี้ นักวิจัยจึงต้อง "หลอก" อะตอมให้มีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กตรอนมากขึ้นในสนามแม่เหล็ก

ในการทำเช่นนี้ พวกเขาอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่ออิเล็กตรอนโคจรรอบสนามแม่เหล็ก ฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะได้รับเฟส สิ่งนี้เรียกว่า อาฮาโรนอฟ–โบห์ม เอฟเฟ็กต์และลีโอนาร์ดอธิบายว่าพวกเขาสามารถสร้างอะตอมเย็นที่เทียบเท่าได้ "ในการทดลองของเรา เราใช้ลำแสงเลเซอร์หลายตัวที่ใช้เฟสนี้กับฟังก์ชันคลื่นของอะตอม" เขากล่าว

ความเป็นไปได้ในการสังเกตใครก็ได้

ทีมงานยังเผชิญกับความท้าทายในการสร้างสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและได้รับการออกแบบมาอย่างแม่นยำ ซึ่งจำเป็นต่อการสังเกตการณ์สถานะ FQH ซึ่งก่อนหน้านี้ยังห่างไกลจากการเข้าถึงสำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการ Léonard กล่าวเสริม “ตอนนี้เราได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าเป็นไปได้ที่จะศึกษาระบบที่สัมพันธ์กันอย่างมากภายใต้สนามแม่เหล็กในเครื่องจำลองควอนตัม” เขากล่าว “ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะศึกษาสถานะดังกล่าวในระดับจุลภาคและรวบรวมข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เราอาจค้นพบปรากฏการณ์ใหม่อย่างสมบูรณ์ที่ยังไม่สามารถเข้าถึงได้”

แม้ว่าจำนวนอะตอมในสถานะ FQH Laughlin ที่นักวิจัยสังเกตพบจะมีจำนวนน้อย แต่มีเพียง 16 อะตอมใน XNUMX ช่องขัดแตะ ทีมงานเชื่อว่าขนาดของระบบอาจเพิ่มขึ้นได้ “ระบบที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยให้เราได้รับมุมมองที่ดียิ่งขึ้นของฟิสิกส์ที่อยู่ภายใต้ผลกระทบของ FQH และแง่มุมหนึ่งที่เราตื่นเต้นเป็นพิเศษที่จะสังเกตเห็นคือการกระตุ้นในระบบดังกล่าว” Léonard กล่าว "เชื่อว่าสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่เฟอร์มิออนหรือโบซอน แต่เรียกว่าใครก็ตาม ซึ่งเป็นอนุภาคชนิดใหม่ทั้งหมดที่อยู่นอกเหนือการจัดประเภทสถิติควอนตัมตามปกติของเรา"

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์