Bayangkan melihat kupu-kupu yang cepat tapi rapuh. Meskipun berdebar-debar, agak sulit untuk mempelajarinya secara detail, jadi Anda perlu mengambilnya. Tapi begitu dia berada di telapak tanganmu, sayapnya kusut dan kehilangan warnanya. Hanya saja kupu-kupu itu terlalu rentan, dan dampak apa pun yang Anda timbulkan akan mengubah penampilannya.
Sekarang bayangkan seekor kupu-kupu yang mengubah penampilannya dari satu pandangan. Beginilah perilaku elektron tunggal dalam benda padat. Begitu para ilmuwan "melihat" sebuah elektron, keadaannya sudah berbeda dari aslinya. Fakta ini secara signifikan memperumit studi fisika benda padat - bidang sains yang menjelaskan sifat-sifat zat padat (semua zat dengan kisi kristal) dalam hal struktur atomnya. Penciptaan komputer, telepon, dan banyak perangkat lain, yang tanpanya kita tidak dapat membayangkan kehidupan, adalah manfaat dari cabang sains ini.
Jika elektron tidak dapat "dilihat", mereka harus diganti dengan sesuatu yang lebih besar, para ilmuwan memutuskan. Kandidat tempat elektron harus mempertahankan propertinya sedemikian rupa sehingga persamaan yang menjelaskan proses dalam padatan tetap tidak berubah. Atom pada suhu ultra-rendah telah memainkan peran ini. Dalam dunia fisik, suhu dapat dianalogikan dengan energi: semakin rendah suhu, semakin tidak bergerak benda tersebut. Pada suhu kamar, atom oksigen di udara bergerak dengan kecepatan beberapa ratus meter per detik, tetapi semakin rendah suhunya, semakin lambat kecepatannya. Suhu minimum di dunia kita dianggap nol derajat Kelvin, atau minus 273,15 ° C.
Perbandingan perilaku atom dalam padatan pada suhu kamar dan atom pada suhu sangat rendah / Ilustrasi oleh RIA Novosti. A. Polyanina
Atom yang sangat dingin didinginkan hingga mikrokelvin atau kurang, di mana kecepatan gerakannya hanya beberapa sentimeter per detik.
Dari atom dan kisi optik tersebut, para ilmuwan telah menciptakan kristal buatan yang strukturnya mirip dengan padatan alami. Kisi yang sangat optik, yang berperan sebagai kisi atom dari benda padat, dibuat dengan menggunakan laser yang sinarnya berpotongan pada sudut tertentu. Dengan mengontrol posisi laser dan kekuatannya, seseorang dapat terus mengubah geometri kisi, dan dengan menerapkan medan tambahan, mengalihkan interaksi antara "elektron" dari menjijikkan menjadi menarik.
Ini adalah bagaimana seniman membayangkan kisi / ilustrasi kristal buatan oleh RIA Novosti. A. Polyanina
Tetapi untuk melakukan percobaan, perlu untuk mengontrol pergerakan elektron. Mereka rentan terhadap medan listrik dan magnet karena memiliki muatan. Atom-atom yang menggantikan elektron dalam kristal buatan bersifat netral, jadi perlu dicari pengganti gaya yang mengendalikannya. Medan listrik telah berhasil digantikan oleh gravitasi, yang bertanggung jawab atas gerak bujursangkar elektron. Namun, elektron dalam medan magnet berputar, lintasannya dapat digambarkan sebagai spiral. Oleh karena itu, peneliti menciptakan medan magnet sintetik yang memiliki efek yang sama pada atom yang bergerak seperti medan magnet nyata, yang merupakan syarat utama untuk mempelajari hukum fundamental.
Video promosi:
Diagram pergerakan elektron dalam medan elektromagnetik / Fotolia / Peter Hermes Furian
Dengan demikian, fisikawan dapat mempelajari sifat-sifat zat padat (logam, semikonduktor, dielektrik), bereksperimen dengan mereka dan mengubahnya sesuka hati. Ternyata para ilmuwan telah menciptakan semacam "perancang" - sistem yang mensimulasikan sifat-sifat dunia kuantum elektron, tetapi, tidak seperti itu, mudah diakses untuk penelitian.
Sistem lain dapat dirakit dari "konstruktor kuantum", termasuk sistem yang tidak ada di alam. Misalnya, semua partikel elementer dibagi menjadi boson dan fermion. Boson memiliki bilangan bulat bulat, dan fermion memiliki bilangan bulat setengah. Menggunakan isotop atom, dimungkinkan untuk mengubah elektron dalam padatan buatan yang dibahas di atas dari fermion menjadi boson.
“Selain soal fisika solid state, konstruktor kuantum yang berbasis atom dingin dapat digunakan untuk menyelesaikan soal dari area lain, misalnya fisika partikel elementer,” jelas kepala peneliti laboratorium teori proses nonlinier di Institute of Physics of the SB RAS dan profesor Departemen Fisika Teoretis di Siberian Federal University, Doktor Fisika dan Matematika Andrey Kolovsky. - Interaksi antara partikel elementer dilakukan melalui apa yang disebut bidang pengukur. Medan elektromagnetik yang kita kenal di sekolah, bertanggung jawab atas interaksi antar muatan, adalah kasus khusus bidang pengukur. Pada prinsipnya, bidang selain medan elektromagnetik dapat dimodelkan, dan studi semacam itu sedang dilakukan. Bidang lain adalah astrofisika, di mana para ilmuwan, menggunakan atom dingin,mensimulasikan termodinamika lubang hitam”.
Konstruktor semacam itu juga dapat digunakan untuk merakit komputer kuantum, yang membantunya mempelajari teleportasi partikel kuantum dengan mudah.
Dan juga melihat ke masa depan yang jauh, 20-40 miliar tahun ke depan, karena alam semesta terus berkembang dan, menurut hukum termodinamika, suhunya perlahan-lahan turun. Seiring waktu, ia akan mendingin menjadi nanokelvin, dan berkat simulator kuantum, kami akan dapat mengamati statusnya sekarang.
