Впервые обнаружены кристаллы Паули
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
Обновлено: в январе 2021 года статья опубликована в Physical Review Letters.
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.
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.
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.
Алексей Дмитриев
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.