Физики построили первый в мире фермионный микроскоп

    image
    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.
    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 10

      +26
      Теперь смогу разглядеть свою зарплату.
        +20
        Что 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.
          +5
          Тут скорее журналисты попытались изнасиловать мозг читателей, написав несвязанный текст…
            +2
            Собственно 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.
              0
              я 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.
                0
                Так и я о том же, Scitechdaily — это научно-популярный журнал, и накосячили именно его журналисты.
            +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?
              0
              Своего 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.
            0
            Таким образом, фермион (его положение) может стать носителем информации? Компактненько.
              +1
              Прикольно, можно теперь играть в игру жизнь фермионами! :)

              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.