Imagine olhar para uma borboleta rápida, mas frágil. Enquanto ele treme, é bastante difícil estudá-lo em detalhes, então você precisa pegá-lo. Mas assim que chegou às suas palmas, as asas se dobraram e perderam a cor. Só que a borboleta é muito vulnerável e qualquer impacto que você causar mudará sua aparência.
Agora imagine uma borboleta que muda de aparência à primeira vista. É assim que um único elétron se comporta em um sólido. Assim que os cientistas "olham" para um elétron, seu estado já é diferente do original. Esse fato complica significativamente o estudo da física do estado sólido - um campo da ciência que descreve as propriedades dos sólidos (todas as substâncias com uma rede cristalina) em termos de sua estrutura atômica. A criação de computadores, telefones e tantos outros dispositivos, sem os quais não podemos imaginar a vida, é o mérito deste ramo da ciência.
Se os elétrons não podem ser "vistos", eles devem ser substituídos por algo maior, decidiram os cientistas. Os candidatos ao lugar dos elétrons devem preservar suas propriedades de tal forma que as equações que descrevem os processos em um sólido permaneçam inalteradas. Os átomos em temperaturas ultrabaixas assumiram essa função. No mundo físico, a temperatura é análoga à energia: quanto mais baixa, mais imóvel o objeto se torna. À temperatura ambiente, um átomo de oxigênio no ar se move a uma velocidade de várias centenas de metros por segundo, mas quanto mais baixa a temperatura, mais lenta sua velocidade. A temperatura mínima em nosso mundo é considerada zero graus Kelvin, ou menos 273,15 ° C.
Comparação do comportamento de átomos em um sólido em temperatura ambiente e átomos em temperaturas ultrabaixo / Ilustração de RIA Novosti. A. Polyanina
Os átomos ultracold são resfriados a microkelvin ou menos, onde a velocidade do movimento é de apenas alguns centímetros por segundo.
A partir desses átomos e de uma rede óptica, os cientistas criaram um cristal artificial semelhante em estrutura aos sólidos naturais. A própria rede óptica, que assume o papel de rede atômica de um sólido, é criada com lasers cujos raios se cruzam em ângulos específicos. Ao controlar a posição dos lasers e sua potência, pode-se mudar continuamente a geometria da rede e, ao impor um campo adicional, mudar a interação entre os "elétrons" de repulsiva para atrativa.
É assim que a artista imagina uma treliça de cristal artificial / Ilustração de RIA Novosti. A. Polyanina
Mas, para realizar experimentos, é necessário controlar o movimento dos elétrons. Eles são suscetíveis a campos elétricos e magnéticos porque têm uma carga. Os átomos que substituem os elétrons em um cristal artificial são neutros, então foi necessário criar um substituto para a força que os controla. O campo elétrico foi substituído com sucesso pela gravidade, que é responsável pelo movimento retilíneo do elétron. No entanto, os elétrons em uma torção do campo magnético, sua trajetória pode ser descrita como uma espiral. Portanto, os pesquisadores criaram um campo magnético sintético que tem o mesmo efeito sobre os átomos em movimento que um campo magnético real, que é a principal condição para estudar as leis fundamentais.
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Diagrama do movimento dos elétrons em um campo eletromagnético / Fotolia / Peter Hermes Furian
Assim, os físicos foram capazes de estudar as propriedades de quaisquer sólidos (metais, semicondutores, dielétricos), experimentá-los e alterá-los à vontade. Acontece que os cientistas criaram um certo "construtor" - um sistema que simula as propriedades do mundo quântico dos elétrons, mas, ao contrário, é facilmente acessível para pesquisa.
Outros sistemas podem ser montados a partir do "construtor quântico", inclusive aqueles que não existem na natureza. Por exemplo, todas as partículas elementares são divididas em bósons e férmions. Os bósons têm um número de spin inteiro e os férmions têm um meio inteiro. Usando isótopos de átomos, é possível converter elétrons no sólido artificial discutido acima de férmions em bósons.
“Além dos problemas de física do estado sólido, construtores quânticos baseados em átomos frios podem ser usados para resolver problemas de outras áreas, por exemplo, física de partículas elementares”, explica o pesquisador-chefe do laboratório de teoria de processos não lineares do Instituto de Física do SB RAS e professor do Departamento de Física Teórica da Universidade Federal da Sibéria, Doutor em Física e Matemática Andrey Kolovsky. - A interação entre as partículas elementares é realizada através dos chamados campos de calibre. O campo eletromagnético que conhecemos da escola, responsável pela interação entre as cargas, é um caso especial de campos de calibre. Em princípio, outros campos além dos eletromagnéticos podem ser modelados, e tais estudos já estão em andamento. Outra área é a astrofísica, onde os cientistas, usando átomos frios,simular a termodinâmica de buracos negros”.
Esses construtores também podem ser usados para montar computadores quânticos, com a ajuda dos quais é conveniente estudar o teletransporte de partículas quânticas.
E também olhe para o futuro distante, 20-40 bilhões de anos à frente, porque o Universo está em constante expansão e, de acordo com as leis da termodinâmica, sua temperatura está caindo gradualmente. Com o tempo, ele esfriará para nano-kelvins e, graças aos simuladores quânticos, seremos capazes de observar seu estado agora.
