Физики сделали первый фермионный микроскоп

Американские физики во главе с Лоуренсом Чеком (Lawrence Cheuk) из Массачусетского технологического института (США) создали микроскоп, способный косвенно наблюдать до тысячи отдельных фермионов одновременно. Работа с описанием принципа его работы

в

. C ее кратким изложением можно ознакомиться на

Physicsworld.com.

Устройство состоит из магнитной ловушки, системы предварительного лазерного охлаждения, системы испарительного охлаждения газа, двух дополнительных лазеров глубокого охлаждения, удерживающей решетки для атомов из скрещенных лучей дополнительных лазеров и отстоящей на 7 микрометрах от этой решетки линзы. 

Чтобы получить четкое изображение группы атомов калия, их предварительно охлаждали, помещали в магнитную ловушку, где дополнительно охлаждали двумя лазерами разных длин волн, используя рамановские переходы. При этом атом вначале поглощает фотон, после чего должен немедленно испустить свой собственный фотон и при этом перейти на один энергетический уровень ниже, еще больше охладившись. Улавливая линзой этот фотон, испущенный атомом после обстрела внешним фотоном, микроскоп и составляет картину взаимного расположения всей той группы фермионов, что находятся в его поле зрения. Привлечение для фотографирования атомов того же света, что охлаждал их позволило создать первый микроскоп, способный одновременно наблюдать столь большое количество фермионов.

Более ранние попытки создать подобный прибор упирались в казавшуюся непреодолимой проблему – саму природу фермионов. Поскольку в отличии от бозонов фермионы – частица с полуцелым спином, то они подчиняются принципу исключения Паули. А это значит, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно. 

Поэтому когда исследователям нужно детально изучить целый ряд квантовых состояний фермионов, которые можно наблюдать лишь при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, сделать это чрезвычайно сложно. Охладив облачко любых фермионов, ученые должны мириться с тем, что в состоянии наименьшей энергии будет только один из из них, а каждый следующий фермион будет занимать следующий энергетический уровень. При этом «последние» фермионы будут иметь весьма значительные энергии, то есть охладить систему таких частиц будет все труднее и труднее. К тому же возмущение в квантовое состояние ультрахолодных атомов может внести даже один-единственный фотон, из-за чего создавать их изображение еще сложнее.

Именно поэтому столь важен новый метод, использованный учеными из MIT: для создания изображения группы фермионов в их установке используется свет тех же лазеров, что охлаждают эти фермионы. Кроме того, после охлаждения все атомы калия помещались в отдельные «гнезда» оптической решетки, также создаваемой перекрещенными лазерными лучами (дополнительных лазерных излучателей), что исключало всякий контакт и взаимодействие между соседними фермионами. В перспективе создание фермионного микроскопа может позволить исследователям напрямую наблюдать магнитное взаимодействие и даже квантовую запутанность внутри изучаемой группы. Коллективное поведение фермионов, которое может наблюдать новый тип микроскопа, ответственно за структуру элементов периодической таблицы, высокотемпературную сверхпроводимость и ряд других феноменов, представляющих существенный практический интерес.