Дробовий квантовий холлівський стан виникає в ультрахолодних атомах – Physics World

Фізики з Гарвардського університету в США вперше створили нову сильно взаємодіючу квантову рідину, відому як стан Лафліна в газі ультрахолодних атомів. Цей стан, який є прикладом дробового квантового стану Холла (FQH), раніше спостерігався в системах конденсованих речовин і в фотонах, але спостереження в атомах були невловимими через суворі експериментальні вимоги. Оскільки атомні системи простіші, ніж їхні аналоги в конденсованому середовищі, результат може привести до нових поглядів на фундаментальну фізику.

«Деякі з найбільш інтригуючих явищ у фізиці конденсованих середовищ виникають, коли ви обмежуєте електрони у двох вимірах і застосовуєте сильне магнітне поле», — пояснює Джуліан Леонард, докторант в Рубідієва лабораторія в Гарварді і провідний автор статті в природа на нову роботу. «Наприклад, частинки можуть поводитися разом так, ніби вони мають заряд, який становить лише частку елементарного заряду — те, що не зустрічається більше ніде в природі і навіть виключене Стандартною моделлю для всіх фундаментальних частинок».

Спосіб виникнення таких дрібних зарядів досі не повністю зрозумілий, оскільки важко досліджувати твердотільні системи в атомному масштабі. Ось чому так бажано вивчати поведінку FQH в синтетичних квантових системах, таких як холодні атоми, які діють як квантові симулятори для більш складних явищ конденсованого середовища.

Наприклад, в останньому дослідженні члени гарвардської групи безпосередньо спостерігали, як частинки в їхній атомній системі рухаються одна навколо одної по колу, схоже на «танцюристів у вальсі», — каже Леонард. «Цей вихровий рух занадто малий, щоб побачити його в твердотільному зразку, але ми можемо вирішити його в нашому експерименті», — каже він. Світ фізики.

Змусити атоми поводитися більше як електрони

Щоб створити стан Лафліна, Леонард і його колеги використовували лазерні промені, що перекриваються, щоб сформувати періодичний потенціал решітки зі світла. Потім вони помістили атоми в кожну ділянку решітки та налаштували параметри пучків так, щоб атоми могли вільно «стрибати» між ділянками. Ця установка імітує періодичний потенціал, який відчувають електрони в кристалічному твердому тілі, пояснює Леонард. «Єдина відмінність полягає в тому, що наш штучний кристал більш ніж у 1000 разів більший, тому ми можемо спостерігати та контролювати кожен «електрон» за допомогою оптичного мікроскопа», — каже він.

Одним із головних завдань для команди з Гарварду було імітувати реакцію електронів на магнітні поля. Тоді як на негативно заряджені електрони діє сила (сила Лоренца) у напрямку, перпендикулярному їхньому руху, коли вони поміщені в магнітне поле, атоми, які відіграють роль електронів у новій платформі, є електрично нейтральними, тобто ця сила відсутня. Тому дослідникам довелося «обдурити» атоми, щоб вони поводилися більше як електрони в магнітному полі.

Для цього вони покладалися на той факт, що коли електрони огинають магнітне поле, їх хвильова функція набуває фази. Це відомо як Ефект Ааронова–Бома, і Леонард пояснює, що вони змогли створити еквівалент у холодних атомах. «У наших експериментах ми використовували кілька лазерних променів, які застосовували саме цю фазу до хвильових функцій атомів», — каже він.

Дірки виявляють перше дробове квантування

Можливість спостереження за будь-якими

Команда також зіткнулася з проблемами у створенні сильного, точно сконструйованого магнітного поля, необхідного для спостереження за станами FQH, які раніше залишалися недосяжними для лабораторних експериментів, додає Леонард. «Тепер ми вперше показали, що можна вивчати сильно корельовані системи в магнітному полі в квантовій симуляторі», — говорить він. «Тому тепер можна досліджувати такі стани на мікроскопічному рівні та отримувати нові знання про них. Ми навіть можемо відкрити абсолютно нові явища, які досі залишалися недоступними».

Хоча кількість атомів у стані FQH Лафліна, яку спостерігали дослідники, невелика, лише два атоми в 16 вузлах решітки, команда вважає, що розмір системи можна збільшити. «Більша система дозволить нам отримати ще краще уявлення про фізику, яка лежить в основі ефекту FQH, і один аспект, який ми особливо раді спостерігати, — це збудження в таких системах», — говорить Леонард. «Вважається, що це не ферміони і не бозони, а так звані аніони, які є абсолютно новим типом частинок, які випадають з нашої звичайної класифікації квантової статистики».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/fractional-quantum-hall-state-appears-in-ultracold-atoms/