Įsivaizduokite, kad žiūrite į greitą, bet trapią drugelį. Nors jis svyruoja, gana sunku jį detaliai ištirti, todėl reikia jį pasiimti. Bet kai tik jis buvo jūsų delnuose, sparnai susigūžė ir prarado spalvą. Tiesiog drugelis yra per daug pažeidžiamas, o bet koks jūsų poveikis pakeis jo išvaizdą.
Dabar įsivaizduokite drugelį, kuris keičia savo išvaizdą iš vieno žvilgsnio. Taip elgiasi vientisi elektronai. Kai tik mokslininkai „pažvelgia“į elektroną, jo būsena jau skiriasi nuo originalo. Šis faktas žymiai apsunkina kieto kūno fizikos - mokslo srities, apibūdinančios kietųjų medžiagų (visų medžiagų, turinčių krištolo gardelę) - savybes, atsižvelgiant į jų atominę struktūrą. Kompiuterių, telefonų ir daugelio kitų prietaisų, be kurių neįsivaizduojame gyvenimo, kūrimas yra šios mokslo šakos nuopelnas.
- „Salik.biz“
Jei elektronų negalima „pamatyti“, jie turi būti pakeisti kažkuo didesniu, nusprendė mokslininkai. Kandidatai į elektronų vietą turi išsaugoti savo savybes taip, kad kietosios medžiagos procesus apibūdinančios lygtys išliktų nepakitusios. Atomai atėjo esant labai žemai temperatūrai. Fiziniame pasaulyje temperatūra yra analogiška energijai: kuo ji žemesnė, tuo nejudesnis objektas tampa. Kambario temperatūroje deguonies atomas ore juda kelių šimtų metrų per sekundę greičiu, tačiau kuo žemesnė temperatūra, tuo lėtesnis jo greitis. Mažiausia temperatūra mūsų pasaulyje laikoma lygi nuliui laipsnių Kelvino arba minus 273,15 ° C.
Atomų kietų medžiagų elgesys kambario temperatūroje ir atomų ypatingai žemoje temperatūroje palyginimas / „RIA Novosti“iliustracija. A. Polyanina
Itin šalti atomai atšaldomi iki mikrokelvinų ar mažiau, kai judesio greitis yra tik keli centimetrai per sekundę.
Iš tokių atomų ir optinės gardelės mokslininkai sukūrė dirbtinį kristalą, savo struktūra panašų į natūralias kietąsias medžiagas. Pati optinė grotelė, atliekanti kietosios medžiagos atominės gardelės vaidmenį, yra sukurta naudojant lazerius, kurių spinduliai kerta nurodytais kampais. Kontroliuodami lazerių padėtį ir jų galią, galite nuolat keisti gardelės geometriją ir, įvesdami papildomą lauką, perjungti „elektronų“sąveiką iš atstumiamosios į patraukliąją.
Taip menininkas įsivaizduoja dirbtinę krištolo grotelę / „RIA Novosti“iliustracija. A. Polyanina
Bet norint atlikti eksperimentus, būtina kontroliuoti elektronų judėjimą. Jie jautrūs elektriniams ir magnetiniams laukams, nes turi krūvį. Atomai, pakeičiantys elektronus dirbtiniame kristale, yra neutralūs, todėl reikėjo sugalvoti juos valdančios jėgos pakaitalą. Elektrinį lauką sėkmingai pakeitė gravitacija, atsakinga už tiesinį elektrono judesį. Tačiau elektronai, esantys magnetiniame lauke, susisukę, jų trajektoriją galima apibūdinti kaip spiralę. Todėl tyrėjai sukūrė sintetinį magnetinį lauką, turintį tokį patį poveikį judantiems atomams, kaip ir realųjį magnetinį lauką, kuris yra pagrindinė sąlyga tiriant pagrindinius dėsnius.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Elektronų judėjimo elektromagnetiniame lauke schema / Fotolia / Peter Hermes Furian
Taigi fizikai galėjo ištirti bet kokių kietų medžiagų (metalų, puslaidininkių, dielektrikų) savybes, eksperimentuoti su jomis ir noru pakeisti. Pasirodo, mokslininkai sukūrė tam tikrą „konstruktorių“- sistemą, kuri imituoja elektronų kvantinio pasaulio savybes, tačiau, skirtingai nuo jo, yra lengvai prieinama tyrimams.
Iš „kvantinio konstruktoriaus“galima surinkti kitas sistemas, įskaitant tas, kurių gamtoje nėra. Pavyzdžiui, visos elementariosios dalelės yra padalintos į bozonus ir fermionus. Bosonai turi sveikąjį skaičių, o fermionai turi pusę sveikojo skaičiaus. Naudojant atomų izotopus, dirbtinėje kietoje medžiagoje elektronus galima konvertuoti iš fermionų į bozonus.
„Be kieto kūno fizikos problemų, kvantiniai konstruktoriai, pagrįsti šaltaisiais atomais, gali būti naudojami sprendžiant kitų sričių, pavyzdžiui, elementariųjų dalelių fizikos, problemas“, - aiškina SB RAS Fizikos instituto netiesinių procesų teorijos laboratorijos vyriausiasis tyrėjas ir Sibiro federalinio universiteto Teorinės fizikos katedros profesorius, Fizikos ir matematikos mokslų daktaras Andrejus Kolovskis. - Elementariųjų dalelių sąveika vykdoma per vadinamuosius matuoklių laukus. Elektromagnetinis laukas, mums pažįstamas iš mokyklos, atsakingas už krūvių sąveiką, yra ypatingas matuoklių laukų atvejis. Iš esmės gali būti modeliuojami laukai, išskyrus elektromagnetinius laukus, ir tokie tyrimai jau vykdomi. Kita sritis yra astrofizika, kai mokslininkai, naudodami atšalusius atomus,imituoti juodųjų skylių termodinamiką “.
Tokie konstruktoriai taip pat gali būti naudojami kvantiniams kompiuteriams surinkti, kurių pagalba patogu ištirti kvantinių dalelių teleportaciją.
Taip pat žvelkite į tolimą ateitį, 20–40 milijardų metų į priekį, nes Visata nuolat plečiasi ir pagal termodinamikos dėsnius jos temperatūra pamažu krenta. Laikui bėgant jis atvės iki nanokelvinų, o kvantinių treniruoklių dėka mes dabar galėsime stebėti jo būseną.