Fizicienii exploatează o regulă cuantică pentru a crea un nou tip de cristal

Fizicienii au profitat de distanțarea particulelor cuantice pentru a crea un nou tip de cristal.

Unele particule se feresc unele de altele, deoarece le este interzis să preia aceeași stare cuantică ca și vecinii lor. Atomii pot fi atât de reticenți în a se suprapune încât formează un aranjament asemănător cristalului chiar și atunci când nu exercită nicio forță unul asupra celuilalt, raportează fizicienii pe 8 mai pe arXiv.org. Numită cristal Pauli, configurația este rezultatul unei reguli mecanice cuantice numită principiul excluderii Pauli.

Oamenii de știință au prezis anterior existența cristalelor Pauli, dar nimeni nu le-a observat până acum. „Ne învață doar cât de frumoasă este fizica”, spune fizicianul cuantic Tilman Esslinger de la ETH Zurich. Experimentul dezvăluie că există încă fenomene noi de observat dintr-un principiu de bază predat la orele introductive de fizică. „Dacă aș scrie un manual”, spune Esslinger, „aș pune asta [experiment] în.”

Deși cristalele Pauli în sine se bazează pe fizica cunoscută, tehnica folosită pentru a le observa ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine anumite stări misterioase ale materiei, cum ar fi supraconductorii, materialele care conduc electricitatea fără rezistență sau superfluidele, care curg fără frecare.

Descoperit de fizicianul austriac Wolfgang Pauli în 1925, principiul excluderii Pauli interzice electronilor dintr-un atom să dobândească seturi de proprietăți cuantice potrivite, cum ar fi energia și momentul unghiular (SN: 4/10/99). Fizicienii și-au dat seama curând că regula guvernează nu numai electronii, ci și o întreagă clasă de particule numite fermioni, care, pe lângă electroni, include și protoni, neutroni și multe tipuri de atomi. Ca rezultat, fermionii se pot respinge unul pe altul fără a interacționa direct. În timp ce cristalele tipice își formează aranjamentele obișnuite datorită interacțiunilor electromagnetice, un cristal Pauli se formează numai datorită acestei respingeri.

„Este cea mai simplă stare a materiei pe care ți-o poți imagina”, spune Selim Jochim de la Universitatea Heidelberg din Germania.

Jochim și colegii săi și-au creat cristalul Pauli din atomi de litiu, înghesuiți de lasere într-o regiune bidimensională de aproximativ un micrometru în rază. Cercetătorii au pus grupuri de trei sau șase atomi în capcana respectivă o dată. Atomii erau prea apropiați unul de altul pentru a-și imaginea direct pozițiile pentru a dezvălui orice structură asemănătoare cristalului. În schimb, echipa a măsurat impulsul atomilor urmărind unde au călătorit particulele când au fost eliberate. După ce experimentul a fost repetat de multe ori, cercetătorii au descoperit corelații, sau modele, în momentele atomilor.

Modelele în formă de flori apar în momentele atomilor datorită principiului de excludere Pauli. Aceste structuri diferă în funcție de numărul de atomi implicați: trei (tratat în stânga) sau șase (dreapta).Grupul S. Jochim/Heidelberg Univ.

Deoarece poziția și impulsul sunt proprietăți strâns legate pentru aceste particule prinse, relația dintre momente înseamnă, de asemenea, că atomii au format o configurație spațială regulată asemănătoare cu un cristal. Diferite configurații în formă de floare ale momentului particulelor au apărut în funcție de numărul de particule din capcană.

„Puteți vedea cu adevărat acest model”, spune Magdalena Załuska-Kotur de la Institutul de Fizică al Academiei Poloneze de Științe, parte a unei echipe de fizicieni care au prezis anterior că astfel de structuri ar putea fi observate în acest tip de experiment.