Ułatwienia dostępu

2020-05-27
Osiągnięcia

Geometryczne struktury wynikające z kwantowej nierozróżnialności - Kryształy Pauliego

Geometryczne struktury wynikające z kwantowej nierozróżnialności - Kryształy Pauliego
Rysunek 1: Przewidywane teoretyczne obrazy odpowiadające rezultatom pomiarów kryształów Pauliego dla N=3, 6 i 15 atomów

Podstawowe zjawiska przyrody opisywane są przez fizykę kwantową. Dotyczy to przede wszystkim mikroświata - zjawisk zachodzących w bardzo małej skali, pojedynczych atomów czy cząsteczek. Zjawiska te nie są intuicyjne, znacząco różnią się od tych, które obserwujemy na co dzień, a co opisują prawa fizyki klasycznej.

Trzeba się zanurzyć w świat mikroobiektów, żeby zauważyć różnice między obu teoriami. Na przykład zupełnie inne znaczenie w kwantowym świecie nabiera stwierdzenie "takie same". Takie same samochody można odróżnić śledząc każdy z nich i powiedzieć np. ten który stał "tu", i ten który stał "tam". Takie same mikroobiekty, np. dwa elektrony, są całkowicie nierozróżnialne. Nie można ich nazwać "ten" i "tamten", gdyż w kwantowym świecie nie ma torów, po których się poruszają i dlatego nie dają się śledzić. Nigdy więc nie wiadomo, który wcześniej był "tu", a który "tam", który jest "ten", a który "tamten". Ta nierozróżnialność obiektów kwantowych nie wynika z ułomności naszych metodobserwacji, ale jest immanentną cechą mikroświata. Nawet sama Przyroda nie potrafi rozróżnić mikroobiektów od siebie.

Wspomniana nierozróżnialność obiektów kwantowych sprawia, że żadne zjawiska fizyczne nie mogą się zmienić jeśli wzajemnie zamienimy takie same obiekty. A to, jak dowiedli fizycy, w połączeniu z dość oczywistym założeniem, że przyczyna poprzedza skutek, prowadzi wprost do podziału wszystkich cząstek elementarnych na dwie kategorie: bozony i fermiony (nazwy pochodzą od nazwisk uczonych: S.N. Bosego i E. Fermiego). Te pierwsze, jeśli są identyczne (np. fotony - cząstki światła ) preferują znajdować się w tym samym stanie kwantowym. Stąd mamy lasery. Zaś te drugie, fermiony (np. elektrony), nie mogą przebywać blisko siebie. Z tego powodu mamy bogactwo różnych pierwiastków chemicznych. Atomy różnych pierwiastków różnią się liczbą elektronów (i nukleonów tworzących jądro atomu), a każdy kolejny elektron musi ulokować się w innym, nie zajętym jeszcze stanie. To wzajemne wykluczanie się fermionów wprowadził do fizyki w roku 1925 austriacki fizyk Wolfgang Pauli i dziś jest znane powszechnie jako "zakaz Pauliego".

Dziewięćdziesiąt lat po sformułowaniu zakazu Pauliego, w 2015 roku, fizycy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie teoretycznie wykazali, że konsekwencją zakazu Pauliego jest niezwykłe ułożenie neutralnych atomów w przestrzeni. Jeśli fermionowe cząstki, między którymi nie działają żadne siły, zostaną umieszczone blisko siebie, to ustawią się w regularne kształty geometryczne, nazwane przez autorów kryształami Pauliego (rys.1). Wyniki tych teoretycznych przewidywań zostały opublikowane w  dwóch pracach [1] i [2] w latach 2016-2017. Autorzy wyznaczyli geometryczne formy tych obiektów dla różnej liczby atomów, a także wskazali na różne trudności jakie należy pokonać, aby wytworzyć i zaobserwować takie obiekty w przyrodzie.

Okazuje się, że obserwacja kryształów Pauliego jest bardzo trudna. Aby to osiągnąć należy uwięzić żądaną liczbę atomów w pułapce, a następnie ochłodzić je do temperatury rzędu mikro-kelwinów (około milionowej części stopnia Kelwina powyżej absolutnego zera). W tej temperaturze atomy w zasadzie nie poruszają się. Następnie należy "wyłączyć" oddziaływanie między nimi; można to osiągnąć umieszczając atomy w odpowiednio dobranym polu magnetycznym. Gdy te wszystkie warunki są już spełnione to może powstać kryształ Pauliego. Wciąż jednak pozostaje problem jego zaobserwowania, gdyż jego rozmiar to zaledwie kilka mikrometrów. Dlatego zespół teoretyków z IF PAN zaproponował cały schemat postępowania, którego realizacja pozwoli potwierdzić, że kryształ Pauliego został sformowany. Procedura rozpoczyna się od otwarcia pułapki pozwalająca na ekspansję kryształu bez zmiany jego kształtu. Następnie, należy wszystkie atomy jednocześnie sfotografować. Ponieważ z jednego zdjęcia nie da się odczytać geometrii kryształu Pauliego procedurę tą należy powtórzyć dziesiątki tysięcy razy, a otrzymane zdjęcia nałożyć jedno na drugie po uprzednim, właściwym wzajemnym dopasowaniu. Na każdym zdjęciu kryształy mogą być bowiem względem siebie przesunięte, obrócone i zniekształcone. Dopiero po takiej statystycznej analizie można zobaczyć kryształ Pauliego.

Zainspirowana rezultatami naukowców z IF PAN, procedurę taką przeprowadziła grupa fizyków kierowana przez profesora Selima Jochima z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech. Wyniki są przedstawione w Physical Review Letters [3]. Marvin Holten z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech wraz z kolegami eksperymentalnie zrealizowali i zobrazowali kryształ Pauliego [3] używając do tego celu ultrazimnych atomów. Zaobserwowane geometryczne struktury utworzone przez atomy schłodzone do temperatury jednej milionowej kelwina powyżej zera bezwzględnego, są dokładnie takie same jakte przewidziane przez naukowców z IF PAN. Jest to wspaniały sukces nie tylko grupy niemieckiej, ale również i polskich uczonych.

To odkrycie pokazuje w jak niezwykły sposób przyczynowość zdarzeń i nierozróżnialność cząstek prowadzą do samoorganizacji nieoddziałujących ze sobą atomów. Geometryczne konsekwencje zasady Pauliego były zaskoczeniem także dla fizyków. Jest to bowiem kolejna nieintuicyjna manifestacja tego, że nawet między nieoddziałującymi obiektami kwantowymi istnieją korelacje, które nie mają swoich odpowiedników w świcie klasycznym. Głębsze zrozumienie tych kwantowych korelacji leży u podstaw współczesnych technologii kwantowych, które w przyszłości niewątpliwie doprowadzą do wielkiego skoku technologicznego. Trudno dokładnie przewidzieć jakie nowe urządzenia powstaną. Typowym przykładem są komputery kwantowe, o których sądzi się, że swoimi możliwościami pobiją na głowę wszystkie klasyczne komputery. Ale jak uczy historia, tych zastosowań będzie niewątpliwie dużo więcej, a najciekawsze okażą się zapewne te nieoczekiwane.

[1] "Single-shot imaging of trapped Fermi gas", M. Gajda, J. Mostowski, T. Sowiński, M. Załuska-Kotur, EPL 115, 20012 (2016).
[2] "On the observability of Pauli crystals in experiments with ultracold trapped Fermi gases", D. Rakshit, J. Mostowski, T. Sowiński, M. Zauska-Kotur, M. Gajda, Scientific Reports 7, 15004 (2017).
[3] "Observation of Pauli Crystals", M. Holten, L. Bayha, K. Subramanian, C. Heintze, P. M. Preiss, and S. Jochim,  Phys. Rev. Lett. 126, 020401 (2021).


Prace naukowe

Kontakt do naukowców w IF PAN



Zobacz więcej

Charge dopants control quantum spin Hall materials

Physical Review Letters 130, 086202 (2023)

Unlike in the quantum Hall effect and quantum anomalous Hall effect, the quantization precision in the quantum spin Hall effect depends on unavoidable background impurities and defects. However, doping with magnetic ions restores the quantization accuracy.

Osadzanie magnetycznych powłok o unikalnej strukturze na nanodrutach InAs i InAs1−xSbx

Nano Letters 22, 8925 (2022)

Otrzymane struktury mogą służyć jako platforma dla otrzymania stanów jednowymiarowych ze złamaną symetrią odwrócenia w czasie, w tym także stanów nadprzewodnictwa topologicznego.

An artificial polariton neuron as a step towards photonic systems that mimic the operation of the human brain

 Laser & Photonics Reviews 2100660 (2022)

Scientists from the Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, and the Faculty of Physics at the University of Warsaw used photons to create a spiking neuron, i.e. the basic element of the future photonic neural network processor.
Zapamiętaj ustawienia
Ustawienia plików cookies
Do działania oraz analizy naszej strony używamy plików cookies i podobnych technologii. Pomagają nam także zrozumieć w jaki sposób korzystasz z treści i funkcji witryny. Dzięki temu możemy nadal ulepszać i personalizować korzystanie z naszego serwisu. Zapewniamy, że Twoje dane są u nas bezpieczne. Nie przekazujemy ich firmom trzecim. Potwierdzając tę wiadomość akceptujesz naszą Politykę plików cookies.
Zaznacz wszystkie zgody
Odrzuć wszystko
Przeczytaj więcej
Essential
Te pliki cookie są potrzebne do prawidłowego działania witryny. Nie możesz ich wyłączyć.
Niezbędne pliki cookies
Te pliki cookie są konieczne do prawidłowego działania serwisu dlatego też nie można ich wyłączyć z tego poziomu, korzystanie z tych plików nie wiąże się z przetwarzaniem danych osobowych. W ustawieniach przeglądarki możliwe jest ich wyłączenie co może jednak zakłócić prawidłowe działanie serwisu.
Akceptuję
Analityczne pliki cookies
Te pliki cookie mają na celu w szczególności uzyskanie przez administratora serwisu wiedzy na temat statystyk dotyczących ruchu na stronie i źródła odwiedzin. Zazwyczaj zbieranie tych danych odbywa się anonimowo.
Google Analytics
Akceptuję
Odrzucam