Atomer observert mens de hviler

Kvantesimulering gir viktige nye resultater

Laserlys PNNL
lese høyt

For første gang har forskere simulert den dynamiske oppførselen til korrelerte enkeltatomer i faste stoffer i eksperimenter. De klarte å arrangere atomer i såkalte optiske gitter og observere deres dynamiske oppførsel, som bestemmes av det komplekse samspillet med andre atomer.

Fra resultatene forventer forskerne grunnleggende innsikt og svar på vitenskapelig gamle og betydningsfulle spørsmål. For eksempel kan de tydeliggjøre hvordan systemer som har vært ubalansert, kommer tilbake og hvordan makroskopiske egenskaper opprettes, for eksempel å ha en viss temperatur.

Eksperimentet ble utført av teamet ledet av Immanuel Bloch ved Max Planck Institute of Quantum Optics. Forskerne fikk støtte av nye analytiske betraktninger og numeriske beregninger på superdatamaskiner av teamene til Uli Schollwöck ved Ludwig Maximilian University of Munich (LMU) og Jens Eisert ved Free University of Berlin. Resultatet er først data om sterkt korrelerte enkeltatomer i optiske gitter, som pent ble skjøvet ut av likevektstilstanden.

Grunnleggende byggesteiner av materie

Atomer er de grunnleggende byggesteinene i saken. Alle ting som omgir oss består av disse minste partiklene. Vi kan selvfølgelig ikke se det med det blotte øye: med en størrelse på en ti-milliondels millimeter er de enda mye mindre enn bølgelengden til synlig lys. I faste stoffer er disse partiklene vanligvis anordnet i vanlige strukturer, i gasser som de virvler vilt fra hverandre.

I alle sammenlagte tilstander har man imidlertid i makroskopiske objekter alltid å gjøre med et så stort antall slike atomer at det i mange tiår å eksperimentere med individuelle slike atomer virket utenkelig og absurd. utstilling

Bare nye eksperimenter har endret denne situasjonen radikalt. Spesielt tillater såkalte optiske gittere anbringelse av individuelle atomer i strukturer som i prinsippet ser ut som i et normalt fast stoff: Bare i en slik situasjon på laboratoriet kan man bestemme og observere veldig presist egenskapene til disse individuelle samvirkende atomer.

Eggeske laget av lys

Optiske rutenett kan tenkes som en eggeskrin med lys: For de nye eksperimentene brukte forskerne laserlys på en slik måte at atomene fant et slags periodisk truglandskap: I hver av disse hulene kunne de - sette et egg - sette et enkelt atom.

Når atomene var fanget i en slik struktur, oppførte atomene seg som et naturlig materiale, sa forskerne. Imidlertid kan langt mer nøyaktige målinger gjøres med disse atomene i kunstige strukturer enn det til og med er tenkelig i et "naturlig" faststoff. Og slik åpner forskerne uante nye muligheter for å avklare spørsmål om det samstemte samspillet mellom mange atomer.

Disse spørsmålene er desto mer spennende, fordi naturlovene, som er gyldige på atomenes Gr enskala, såkalte “kvantelover”. I følge forskerne brukes ofte svært forskjellige regler i denne verden av såkalt kvantemekanikk enn de vi kjenner fra hverdagen. De er ofte ikke intuitive og noen ganger paradoksale. Selv å snakke om den eksakte plasseringen av et atom gir vanligvis ingen mening, sier forskerne.

Naturligvis er egenskaper som "temperatur" i makroskalaen, slik vi kjenner det, vanlig praksis. Men på mikroskalaen er temperaturen ikke lett forklart, og de grunnleggende fysiske grunnleggende ligningene definerer ikke engang temperaturbegrepet.

Hvor komplekse kvantesystemer kommer i balanse

I følge forskerne viser det presenterte eksperimentet på tidsløs måte hvordan komplekse kvantesystemer kommer i likevekt, hvordan temperatur skapes og hvordan den typiske kvantiteten i sterkt korrelerte systemer med mange partikler går tapt over tid går. Det kan sees hvordan ved interaksjon med hverandre, men uten et eksternt bad, som foreskriver en temperatur, oppstår likevektsforhold til en viss grad av seg selv. Individuelle atomer kan sees når de "hviler".

Eksperimentet presentert i tidsskriftet Naturfysikk og teorien er også interessant fra synspunktet av diskusjonen om superdatamaskiner: Fordi for å forstå dynamikken i de samhandlende mange-kroppssystemene, må superdatamaskiner kjøres i flere uker, og man når grensene for hittil mulig. Så du kan bare forstå dynamikken på kort tid.

Spørsmål kvantesystemer i eksperimentet

I lang tid er imidlertid eksperimentet langt kraftigere enn den klassiske simuleringen og representerer ifølge forskerne en “kvantesimulering”. Dermed kan man faktisk stille nye spørsmål å svare på naturen. Men ikke ved å gjøre så langt tilgjengelige simuleringer med superdatamaskiner ja lovene i klassisk fysikk. Men ved å stille spørsmål ved komplekse kvantesystemer i laboratoriet, som kontrolleres nøyaktig i laboratoriet. På laboratoriet justeres naturen. (Nature Physics, 2012; doi: 10.1038 / nphys2232)

(Free University Berlin, 22.02.2012 - DLO)