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.
