Студент-физик Лоуренс Чеюк, один из авторов работы, настраивает лазерную оптику / SciTech Daily
Учёные-физики из Массачусетского технологического института (MIT) построили первый в мире фермионный микроскоп. Охлаждаемые в эксперименте с помощью двух лазеров с различными длинами волн, атомы калия 40K переходят на всё более низкие энергетические уровни. При этом фермионы испускают фотоны, которые улавливаются микроскопом и дают картинку.
Вся известная нам материя состоит из бозонов и фермионов. Фермионы формируют материю – это кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, которые сами по себе являются фермионами, а также лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино). Бозоны – это переносчики взаимодействия (фотоны, глюоны, W и Z-бозоны, и тот самый бозон Хиггса).
В Гарвардском университете учёным удалось построить бозонный микроскоп в 2009 году, а в 2010 году их работу повторили в Институте квантовой оптики им. Макса Планка. А вот увидеть в микроскоп фермионы до сей поры не удавалось. Мешал принцип запрета Паули, согласно которому в замкнутой квантовой системе два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Потому попытки охладить облако фермионов приводили к тому, что все они выстраивались на разных энергетических уровнях, и обладавшие наибольшей энергией частицы охладить далее было невозможно.
В работе, опубликованной в мае 2015 года, команда исследователей рассказывает о своём достижении. Мартин Цвирляйн, руководитель команды, описывает эксперимент: «Мы хотели достичь того же, что предыдущие группы смогли сделать с бозонами. Но оказалось, что с фермионами это сделать потруднее – их не так-то легко охладить».
Пользуясь двумя лазерами, учёные создали ячеистую сеть, в ячейках которой, как в «энергетических ямах» были пойманы и удерживались фермионы. Постепенное охлаждение привело к тому, что фермионный газ достиг температуры близкой к абсолютному нулю, и отдельные фермионы можно было долго удерживать в ячейках сети. Испускаемые при этом фотоны улавливались микроскопом.
«Это значит, что я знаю, где находятся фермионы, и могу их, условно говоря, пинцетом передвинуть куда угодно, и сделать из них любой узор»,- говорит Цвирляйн. Благодаря нахождению в изолированных ячейках, фермионы не взаимодействуют друг с другом и принцип Паули не мешает им как следует охладиться.
Как поясняют исследователи, их работа может помочь в дальнейшем продвижении на пути к созданию высокотемпературных сверхпроводников, поскольку такой микроскоп может выдвинуть на новый уровень изучение электронов, которые тоже являются фермионами. Кроме этого, возможность удерживать и передвигать отдельные фермионы напрямую связана с технологиями по созданию квантовых компьютеров.
Комментарии (10)
Mad__Max
03.06.2015 01:48+20Что снова ученые изнасиловали журналиста? (в данном случае не SLY_G, а насилие совершенно еще над мозгом иностранного журналиста).
Речь идет о микроскопе позволяющем наблюдать/изучать фермионы, а не фермионном микроскопе как гласит заголовок и повторяется в тексте.
Аналогично о упоминаемом открытии «бозонного микроскопа в 2009 году».
Бозонные микроскопы известные с древности — обычный оптический микроскоп тоже бозонный (т.к. свет это поток фотонов, которые входя в класс бозонов).
Фермионные микроскопы не такие древние, но тоже давно известный — например электронный микроскоп (испоьзуется пучок электронов, которые являются представителем фермионов).
В данном случае микроскоп был обычный (оптический), необычным была подготовка «предмета наблюдения» позволившая фиксировать отдельные частицы.
saga111a
03.06.2015 09:45+5Тут скорее журналисты попытались изнасиловать мозг читателей, написав несвязанный текст…
qbertych
03.06.2015 12:18+2Собственно проблемы в статье из scitechdaily (ей-богу, в ленте.ру качество статей о науке выше).
К счастью, основная идея (много фермионов в одном квантовом состоянии недалеко друг от друга) понятна из последних абзацев.saga111a
03.06.2015 12:38я видимо не точно выразился, но имел ввиду именно оригинальный текст. Не думаю что учены е из MIT могут написать так плохо, из чего вывод — журналисты тамошние такое написали.
qbertych
03.06.2015 13:10Так и я о том же, Scitechdaily — это научно-популярный журнал, и накосячили именно его журналисты.
andyudol
03.06.2015 10:55+1«В данном случае микроскоп был обычный (оптический), необычным была подготовка «предмета наблюдения» позволившая фиксировать отдельные частицы.»
То есть было бы более правильно написать, что эти учёные разработали метод фермионографии?Mad__Max
04.06.2015 02:40Своего рода. Разрешение таких наблюдений судя по вытащенной из статьи иллюстрации вполне обычное для оптических микроскопов — сотни нанометров (порядка длины волны используемого света), т.е. на несколько порядков грубее чем размер наблюдаемых частиц.
Возможности фиксация отдельных частиц (в данном случае это были даже не элементарные частицы, а целые атомы Калия-40) была достигнута только за счет того, что их экстремально охладили, разнесли на достаточно большие расстояния друг от друга и «зафиксировали», что дало возможность различать из какой позиции «координатной сетки» вылетел фотон и связать фиксируемые фотоны с положением изучаемых фермионов.
В оригинале до назмозг обработки иностранными журналистами:
Abstract
We realize a quantum-gas microscope for fermionic K40 atoms trapped in an optical lattice, which allows one to probe strongly correlated fermions at the single-atom level. We combine 3D Raman sideband cooling with high-resolution optics to simultaneously cool and image individual atoms with single-lattice-site resolution at a detection fidelity above 95%. The imaging process leaves the atoms predominantly in the 3D motional ground state of their respective lattice sites, inviting the implementation of a Maxwell’s demon to assemble low-entropy many-body states. Single-site-resolved imaging of fermions enables the direct observation of magnetic order, time-resolved measurements of the spread of particle correlations, and the detection of many-fermion entanglement.
Equin0x
03.06.2015 17:55Таким образом, фермион (его положение) может стать носителем информации? Компактненько.
GunneR666
Теперь смогу разглядеть свою зарплату.