04 август 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Квантови имитатори: Учени откриват нов начин, по който бозоните се държат като фермиони

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 31 март 2020 в 00:28 33350
Изследователи от Университета на Пенсилвания използват този апарат за създаване на масив от ултра студени едномерни газове, съставени от атоми. Тези атоми са бозони, един от двата класа, в които могат да се разпределят всички частици. По принцип бозоните и фермионите, другият клас частици, се държат съвсем различно. Въпреки това, когато вътрешните взаимодействия между бозоните в едноизмерен газ са много силни, тяхното пространствено разпределение е същото като невзаимодействащите фермиони. Сега изследователите показват, че когато газовете се оставят да се разширяват, докато все още са затворени в едно измерение, тяхното разпределение на скоростта също става същото като газ от невзаимодействащи фермиони. Кредит: Nate Follmer, Penn State

Бозоните и фермионите, двата класа, в които са всички частици - от субатомните до самите атоми - се държат много различно при повечето обстоятелства. Докато еднаквите бозони обичат да се събират, идентичните фермиони са "антисоциални". Въпреки това, в един едноизмерен свят - представете си частици, които могат да се движат само по линия - бозоните могат да станат стабилни като фермионите, така че да не заемат едно и също положение. Сега новите изследвания показват, че същото нещо - бозони, действащи като фермиони - може да се случи и със скоростта им. Това откритие допълва нашето фундаментално разбиране на квантовите системи и може да подпомогне евентуалното развитие на квантовите устройства.

"Всички частици в природата идват в един от два вида, в зависимост от техния спин", квантово свойство без истински аналог на класическата физика", обяснява Дейвид Уайс, професор по физика в Пен Стейт и един от лидерите на изследователския екип. "Бозоните, чиито спинове са цели числа, могат да споделят едно и също квантово състояние, докато фермионите, които са с полуцяло число спин (т.е. спин-1/2, или 3/2), не могат. Когато частиците са студени или достатъчно плътно разположени, бозоните се държат напълно различно от фермионите. Бозоните образуват "Бозе-Айнщайнови кондензати", събирайки се в едно и също квантово състояние. Фермионите, от друга страна, попълват наличните състояния един по един, за да образуват това, което се нарича "море на Ферми".

Изследователи от щата Пенсилвания сега експериментално са доказали, че когато бозоните се разположат в едно измерение (линията на атомите може да стане по-дълга) те могат да образуват море на Ферми. Доклад, описващ изследването, е публикуван на 27 март 2020 г. в списание Science.

„Идентичните фермиони са антисоциални, не може да има повече от един на едно и също място, така че когато са много студени, те не си взаимодействат“, разказва Маркос Ригол (Marcos Rigol), професор по физика в Университета на Пенсилвания и лидер на изследователския екип. „Бозоните могат да бъдат на едно и също място, но това става твърде енергоемко, когато взаимодействията им са много силни. В резултат на това, когато са ограничени да се движат в едно измерение, тяхното пространствено разпределение може да изглежда като това на невзаимодействащите фермиони. През 2004 г., изследователската група на Дейвид експериментално демонстрира това явление, което теоретично бе предсказано през 60-те години".

Въпреки че пространствените свойства на силно взаимодействащите бозони и невзаимодействащите фермиони са еднакви в едно измерение, бозоните могат да имат еднакви скорости, а фермионите - не могат. Това се дължи на фундаментално различния характер на частиците.

"През 2005 г. Маркос, тогава абсолвент, прогнозира, че когато силно взаимодействащи бозони се разширяват в едно измерение, тяхното разпределение на скоростта ще образува море на Ферми", разказва Уайс. "Бях много доволен да си сътруднича с него в демонстрацията на това поразително явление."

Еволюция на разпределението на скоростта на уловен газ от силно взаимодействащи бозони, разширяващ се в едно измерение. Първоначално пиковото "бозоново" разпределение (лилавата линия) постепенно се променя в закръглено "фермионно" разпределение (тъмночервената линия). Крайната форма е точно като морето на Ферми, което би характеризирало фермионите в същия начален капан. Кредит: Weiss Laboratory, Penn State


Изследователският екип създава масив от ултра студени едномерни газове, съставени от атоми бозони („бозовнни газове“) с помощта на оптична решетка, която използва лазерна светлина за улавяне на атомите. В капана на светлината системата е в равновесие и силно взаимодействащите бозонни газове имат пространствени разпределения като фермиони, но все още разпределението на скоростта е като на бозоните. Когато изследователите изключват част от улавящата ги светлина, атомите се разширяват в едно измерение. По време на това разширение разпределението на скоростта на бозоните плавно се трансформира в такова, което е идентично на фермионното. Изследователите проследяват тази трансформация.

„Динамиката на ултра студените газове в оптичните решетки е източник на много нови очарователни явления, които едва наскоро започнаха да се изследват“, коментира Ригол. "Например групата на Дейв показа през 2006 г., че нещо толкова универсално като температурата не е добре дефинирано, след като бозоните газове претърпят динамика в едно измерение. Моите сътрудници и аз свързахме това откритие с красиво основно математическо свойство на теоретичните модели, описващи неговите експерименти, известно като „интегрируемост“. Интегрируемостта играе централна роля в наскоро наблюдаваното ни динамично явление за фермионизация".

Тъй като системата е „интегрируема“, изследователите могат да я разберат много подробно и изучавайки динамичното поведение на тези едноизмерни газове, екипът на Университета на Пенсилвания се надява да разгледа широки проблеми във физиката.

"През последния половин век бяха изяснени много универсални свойства на равновесните квантови системи", разказва Уайс. "Трудно е да се идентифицира универсално поведение в динамичните системи. Като разберем напълно динамиката на едномерните газове и след това постепенно правим газовете по-малко интегриращи, се надяваме да идентифицираме универсални принципи в динамичните квантови системи."

Динамичните, взаимодействащи квантови системи са важна част от фундаменталната физика. Те също имат значение в технологично отношение, тъй като много реални квантови устройства се базират на тях, включително квантовите симулатори и квантовите компютри.

"Сега имаме експериментален достъп до неща, които ако бихте попитали някой теоретик, работещ в областта преди десет години," ще видим ли това през живота си? " щяха да кажат „няма как“, коментира Ригол.

Справка: Joshua M. Wilson et al, Observation of dynamical fermionization, Science (2020). DOI: 10.1126/science.aaz0242

ИзточникQuantum copycat: Researchers find a new way in which bosons behave like fermions, Phys.org


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.