Eksperymenty kwantowe symulujące urządzenia półprzewodnikowe
Fermiony, do których zaliczają się między innymi nukleony i elektrony, to cząstki kwantowe stanowiące podstawowy budulec materii. Zachowania materiałów zależą od oddziaływań w ich strukturze fermionowej, wewnętrznej strukturze krystalicznej i między cząstkami składowymi. Ta złożona struktura wewnętrzna pozostaje w znacznej mierze nieznana, choć ma bezpośrednie znaczenie dla zjawiska nadprzewodzenia, działania komputerów kwantowych, a nawet samej budowy Wszechświata. Sztucznie wytwarzane ultrazimne gazy atomowe otworzyły drogę dla nowatorskich eksperymentów badających interakcje kwantowe i fizykę kwantową wielu ciał. W ostatnich latach naukowcom udało się uzyskać takie gazy (ultrazimne gazy atomowe Fermiego), co pozwala badać ich strukturę fermionową, a tym samym złożone struktury kwantowe, przejścia fazowe i interakcje spinów elektronowych. Zastosowano symulacje kwantowe z użyciem gazów Fermiego z silnymi interakcjami, wykorzystując dofinansowanie UE dla projektu MIGROS ("Microscopy of interacting Fermi-gases: High-resolution imaging and statistical properties"). Dzięki mikroskopom o wysokiej rozdzielczości badacze po raz pierwszy zaobserwowali zachowania małych skupisk ultrazimnych atomów fermionowych w dużej chmurze, wykazując przy tym, że istnieją się dwa czynniki, których nie da się wyjaśnić na gruncie teorii klasycznych: fluktuacje całkowitego spinu i podatność spinowa. Używając instalacji doświadczalnej złożonej z dwóch zbiorników połączonych kanałem, naukowcy mogli badać przewodzenie fermionów emulujących przenoszenie elektronów w nanostrukturze, co pozwoliło stworzyć analogię do fizyki półprzewodników. Udało się zaobserwować przejścia do nadciekłości i wyjątkowo niski opór występujący przy przechodzeniu do tego stanu, jak również zachowania cieczy w stanie nadciekłym w różnych warunkach. Nadciekłość jest ściśle powiązana z nadprzewodnictwem, a nawet ze zjawiskami zachodzącymi w gwiazdach neutronowych i plazmach kwarkowo-gluonowych. Manipulowanie i wizualizowanie zachowań ultrazimnych gazów Fermiego w symulacji modelowej otworzyło drogę do badania przenoszenia spinu w zimnych układach atomowych. Zaobserwowane przejścia fazowe wykazują uniwersalne właściwości przenoszenia związane z najbardziej podstawowymi zagadnieniami fizyki teoretycznej. Obiecujący nowy układ modeli doświadczalnych powinien zatem umożliwić weryfikację teorii dotyczących struktury Wszechświata, w tym istoty czasoprzestrzeni w pobliżu czarnych dziur. Bardziej praktycznym zastosowaniem nowych instalacji jest możliwość wykonywania symulacji kwantowych nie tylko dla materiałów, lecz również dla układów złożonych z wielu komponentów. Powinno to zaowocować nowymi odkryciami w dziedzinie komputerów kwantowych i innych maszyn kwantowych.
