>> << >>
Главная Выпуск 28 NewConcepts Chapters
1 New Concepts in Science*

Впервые обнаружены кристаллы Паули

Алексей Дмитриев
Май 2020

 

Плавление кристалла Паули

Marvin Holten et al. / arXiv:2005.03929\

Сбор данных о положении нейтральных фермионов в двумерном гармоническом потенциале позволил физикам впервые увидеть кристаллы Паули и исследовать их плавление. Об этом сообщается в препринте, размещенном на arxiv.org

Кристаллическая структура в физике зачастую возникает в случаях, когда отталкивающее взаимодействие между частицами компенсируется некоторой притягивающей силой. Например, для Вигнеровского кристалла кулоновское отталкивание электронов в одномерном проводнике превосходит их кинетическую энергию, и электроны локализуются. В случае кулоновского кристалла отталкивание ионов компенсируется общим потенциалом электромагнитной ловушки.

Однако имеется и совершенно иной механизм образования симметричной структуры — неразличимость одинаковых частиц. Он проявляется даже при полном отсутствии взаимодействия между частицами. Принцип запрета Паули гласит, что два фермиона не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии одновременно, поэтому если поместить несколько невзаимодействующих фермионов в общий потенциал, то это неизбежно приведет к появлению антикорреляции между различными положениями частиц. Другими словами, фермионы самоорганизуются и образуют внутри потенциальной ямы кристаллоподобную структуру, которая минимизирует вероятность нахождения двух частиц в одной точке. Такое взаимодействие тождественных частиц носит название обменного взаимодействия, а возникающая структура называется кристаллом Паули.

(a) Схематичное отображение оптической ловушки и расположения 6 атомов в ее потенциале. (b,c) Реконструитрованные изображения атомов в импульсном пространстве.

Marvin Holten et al. / arXiv:2005.03929

 

Несмотря на сильные априорные аргументы в пользу существования кристаллов Паули, ранее их не удавалось обнаружить в эксперименте по нескольким причинам. Во-первых, необходимо довести взаимодействие между фермионами до минимума. Во-вторых, требуется высокая однородность потенциала ловушки. В-третьих, нужно обеспечить крайне эффективное охлаждение системы, поскольку эффекты обменного взаимодействия становятся заметными только при достаточном перекрытии волновых функций отдельных частиц.

Сильного кулоновского отталкивания проще всего избежать при работе с нейтральными атомами. Ранее ученые из Варшавского института физики предсказали образование кристалла Паули в системе из нескольких нейтральных атомов в общем гармоническом (квадратичном) потенциале. Именно это предложение взяли за основу Марвин Холтен (Marvin Holten) и его коллегами из университета Гейдельберга в текущей работе.

В качестве частиц авторы выбрали атомы лития 6Li. Гармонический потенциал создавали при помощи оптического пинцета и одного слоя притягивающей оптической решетки. Частоты этих ловушек физики подбирали таким образом, чтоб ограничить движение атомов в аксиальном направлении и позволить движение в радиальной плоскости. Вырожденность уровня n двумерного гармонического осциллятора равна n+1, что позволяет создавать конфигурации из N+N атомов — по N на каждое спиновое состояние сверхтонкой структуры, при этом N=1, 3 или 6.

Для обнаружения кристалла необходимо определять координаты атомов. Однако, для случая гармонического осциллятора регистрация положений атомов полностью эквивалентна измерению их импульсов, так как полиномы Эрмита, через которые выражается волновая функция, не меняются при преобразовании Фурье. При регистрации импульсов использовалась EMCCD-камера, детектирующая флуоресцентное излучение от атомов. После необходимых преобразований камера обеспечивает эффективное пространственное разрешение около 200 нанометров. Регистрация импульса каждой частицы позволяет рассчитать N-частичные корреляционные функции положения атомов. Для построения каждого изображения кристалла использовалось от 10 до 20 тысяч снимков.

Кристалл Паули для (b) трех и (c) шести атомов в ловушке

Marvin Holten et al. / arXiv:2005.03929

 

Сначала определяется импульс центра масс атомов, после чего он вычитается из измеренных импульсов отдельных частиц. Полученные одночастичные распределения совмещаются друг с другом при помощи поворота, поскольку ось симметрии в каждом эксперименте случайна. Для случая N=3 и N=6 многочастичное распределение моментов оказывается симметричным, что говорит о наблюдении кристалла Паули.

Авторы исследовали также плавление кристалла Паули — разрушение симметричной структуры при плавном увеличении температуры атомов. Уменьшение контраста кристаллической картины при уменьшении температуры хорошо согласуется с результатами из расчета N-частичной волновой функции по методу Монте-Карло. По мнению авторов, разработанная методика определения координат одиночных атомов может использоваться при исследовании различных квантовых газов и процессов куперовского спаривания электронов в сверхпроводниках

Современные методы оптической манипуляции и детектирования отдельных атомов активно используется в атомной физике. Ранее мы писали о рекомбинации атомов, удерживаемых оптическими пинцетами. В 2018 году британский физик смог снять на обычную зеркальную камеру излучение иона стронция.

 

Читайте также:

Распад и рождение нейтрония

Аннотация   Разработан формализм для описания электрослабых субатомных процессов взаимодействия электрона атомной оболочки с протоном атомного ядра. На основе этого формализма показано, что экзоатом «нейтроний» представляет собой чрезвычайно узкий низколежащий резонанс в сечении упругого электрон-протонного рассеяния, обусловленный слабым взаимодействием, вызывающим переход начального состояния системы «электрон плюс протон» в квазисвязанную нейтрон-нейтринную пару. Из-за малой ширины и амплитуды этот резонанс невозможно обнаружить в прямом эксперименте по - рассеянию. Наличие третьей частицы при столкновении электрона с атомом водорода приводит к тому, что пропагатор атома водорода в возбужденном промежуточном состоянии входит в выражение для сечения рождения «нейтрония» под знаком интеграла. В результате ширина резонанса в сечении рождения нейтрония при столкновении электрона с атомом водорода на 14 порядков больше ширины аналогичного резонанса в упругом - рассеянии, и его свойства можно исследовать в эксперименте. Дана оценка времени жизни, энергии возбуждения и сечения рождения «нейтрония». Показано, что при низких энергиях время жизни нейтрония  на порядок больше времени жизни мюона. Указано на прямое влияние «неожиданного» состояния в спектре атома водорода на порядок заполнения электронных оболочек в атомах химических элементов. Показано, что нейтроний является простейшей из возможных моделей, которая, возможно, объясняет наличие симметрий в заполнении электронных оболочек атомов на плоскости главного n и орбитального l квантовых чисел в координатах (n,l) и (n+l , n-l) одновременно.    

The Physicist Who Denies Dark Matter

Maybe Newtonian physics doesn’t need dark matter to work.

Великое выступление Великого физика

Можно ли построить единую картину развития окружающего нас мира?

Хорошо известно, что современная теоретическая физика позволила построить цепочку логических связей от так называемого Большого взрыва до сегодняшнего состояния Вселенной. Правда, появилось понятие "тёмной материи", не укладывающееся в уже существующие теоретические представления. Этот и некоторые другие моменты вызывают вопрос: а можно ли вообще построить логически обоснованную цепочку причинно-следственных связей от некоторого исходного момента до настоящего времени, включая при этом ещё и появление биологической составляющей?

Добавить комментарий

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Войдите в систему используя свою учетную запись на сайте:
Email: Пароль:

напомнить пароль

Регистрация