Mikroskop wykorzystujący gaz kwantowy umożliwia badanie fermionów
Elektrony, protony, neutrony a nawet kwarki to wszystko fermiony, czyli cząstki o spinie połówkowym. W przeciwieństwie do bozonów, które mają spin całkowity, fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. Ten prosty fakt powoduje powstanie struktury elementów, w której elektrony muszą zajmować różne orbity wokół jądra atomu. Kiedy fermiony oddziałują ze sobą, tworzą jądra atomów i materiały o stanie stałym. Ich zbiorowe zachowanie daje też początek egzotycznym zjawiskom, takim jak nadprzewodnictwo w wysokich temperaturach czy kolosalna magnetorezystancja. Nasza aktualna wiedza na temat silnie oddziałujących systemów fermionów jest jednak ograniczona. Dla naukowców uczestniczących w projekcie FERMISITE (Strongly correlated fermions in optical lattices with single-site resolution), finansowanym ze środków UE, ultrazimne gazy atomów fermionowych stanowiły idealną platformę do badania fizyki układów wielociałowych i ciała stałego. Atomy fermionowe schwytane w sieć optyczną symulują fizykę elektronów w krystalicznym ciele stałym. W swoim eksperymencie uczeni wykorzystali taką sieć optyczną tworzoną przez odbite wiązki lasera. W celu obrazowania atomów z rozdzielczością do pojedynczej pozycji węzłowej zbudowano nową instalację, w której pionowa wiązka jest odbijana w powlekanym oknie próżniowym. Atomy potasu-40 przygotowano przy pomocy chłodzenia laserowego i wymuszonego odparowywania na płaszczyźnie ogniskowej tej pułapki magnetooptycznej. Następnie przeprowadzono obrazowanie fluorescencyjne w celu wykrycia atomów podczas ich schładzania. Aby uczynić atomy potasu fluorescencyjnymi, podświetlono je światłem pozarezonansowym. Podobne eksperymenty prowadzone były mniej więcej w tym samym czasie przez naukowców z Uniwersytetu Harvarda i Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA oraz Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Garching (Niemcy). Mikroskopia wykorzystująca gaz fermionowy umożliwi badanie układów wielofermionowych schwytanych w sieci optyczne. Badanie takich systemów kwantowych w dokładnie kontrolowanych sztucznych środowiskach pozwoli z kolei na dokładniejsze poznanie innych fermionów. W szczególności symulacja kwanta fermionów z dokładnością do pojedynczych cząstek pozwoli na badanie silnie skorelowanych systemów kwantowych, które trudno jest obserwować przy pomocy numerycznych metod symulacyjnych.
Słowa kluczowe
Mikroskop wykorzystujący gaz kwantowy, fermiony, atomy potasu, jądro atomu, FERMISITE, sieć optyczna
