Imaginez regarder un papillon rapide mais fragile. Pendant qu'il flotte, il est assez difficile de l'étudier en détail, vous devez donc le ramasser. Mais dès qu'il était dans vos paumes, les ailes se sont froissées et ont perdu leur couleur. C'est juste que le papillon est trop vulnérable, et tout impact que vous aurez changera son apparence.
Imaginez maintenant un papillon qui change d'apparence d'un seul coup d'œil. C'est ainsi que se comportent les électrons individuels dans un solide. Dès que les scientifiques «regardent» un électron, son état est déjà différent de l'original. Ce fait complique considérablement l'étude de la physique de l'état solide - un domaine de la science qui décrit les propriétés des solides (toutes les substances avec un réseau cristallin) en termes de leur structure atomique. La création d'ordinateurs, de téléphones et de nombreux autres appareils, sans lesquels nous ne pouvons imaginer la vie, est le mérite de cette branche de la science.
Si les électrons ne peuvent pas être «vus», ils doivent être remplacés par quelque chose de plus grand, ont décidé les scientifiques. Les candidats à la place des électrons doivent conserver leurs propriétés de manière à ce que les équations décrivant les processus dans un solide restent inchangées. Les atomes à des températures ultra-basses sont venus à ce rôle. Dans le monde physique, la température est analogue à l'énergie: plus elle est basse, plus l'objet devient immobile. À température ambiante, un atome d'oxygène dans l'air se déplace à une vitesse de plusieurs centaines de mètres par seconde, mais plus la température est basse, plus sa vitesse est lente. La température minimale dans notre monde est considérée comme étant de zéro degré Kelvin, soit moins 273,15 ° C.
Comparaison du comportement des atomes dans un solide à température ambiante et des atomes à très basses températures / Illustration par RIA Novosti. A. Polyanina
Les atomes ultra-froids sont refroidis à microkelvin ou moins, où la vitesse de mouvement n'est que de quelques centimètres par seconde.
À partir de tels atomes et d'un réseau optique, les scientifiques ont créé un cristal artificiel d'une structure similaire à celle des solides naturels. Le réseau très optique, qui prend le rôle du réseau atomique d'un solide, est créé à l'aide de lasers dont les rayons se croisent à des angles spécifiés. En contrôlant la position des lasers et leur puissance, on peut modifier en permanence la géométrie du réseau, et en imposant un champ supplémentaire, faire passer l'interaction entre les "électrons" de répulsif à attractif.
C'est ainsi que l'artiste imagine un treillis de cristal artificiel / Illustration par RIA Novosti. A. Polyanina
Mais pour mener des expériences, il est nécessaire de contrôler le mouvement des électrons. Ils sont sensibles aux champs électriques et magnétiques car ils ont une charge. Les atomes remplaçant les électrons dans un cristal artificiel sont neutres, il était donc nécessaire de trouver un remplaçant pour la force qui les contrôle. Le champ électrique a été remplacé avec succès par la gravité, qui est responsable du mouvement rectiligne de l'électron. Cependant, les électrons dans un champ magnétique se tordent, leur trajectoire peut être décrite comme une spirale. Par conséquent, les chercheurs ont créé un champ magnétique synthétique qui a le même effet sur les atomes en mouvement qu'un champ magnétique réel, qui est la condition principale pour étudier les lois fondamentales.
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Schéma du mouvement des électrons dans un champ électromagnétique / Fotolia / Peter Hermes Furian
Ainsi, les physiciens ont pu étudier les propriétés de tous les solides (métaux, semi-conducteurs, diélectriques), les expérimenter et les modifier à volonté. Il s'avère que les scientifiques ont créé un certain «constructeur» - un système qui simule les propriétés du monde quantique des électrons, mais, contrairement à lui, est facilement accessible pour la recherche.
D'autres systèmes peuvent être assemblés à partir du «constructeur quantique», y compris ceux qui n'existent pas dans la nature. Par exemple, toutes les particules élémentaires sont divisées en bosons et fermions. Les bosons ont un nombre de spin entier et les fermions ont un demi-entier. En utilisant des isotopes d'atomes, il est possible de convertir des électrons dans le solide artificiel discuté ci-dessus de fermions en bosons.
«En plus des problèmes de physique du solide, les constructeurs quantiques basés sur des atomes froids peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes d'autres domaines, par exemple la physique des particules élémentaires», explique le chercheur en chef du laboratoire de théorie des processus non linéaires à l'Institut de physique du SB RAS et professeur au Département de physique théorique de l'Université fédérale de Sibérie, Docteur en physique et mathématiques Andrey Kolovsky. - L'interaction entre les particules élémentaires s'effectue à travers les champs dits de jauge. Le champ électromagnétique qui nous est familier depuis l'école, responsable de l'interaction entre les charges, est un cas particulier des champs de jauge. En principe, des champs autres que les champs électromagnétiques peuvent être modélisés, et de telles études sont déjà en cours. Un autre domaine est l'astrophysique, où les scientifiques, utilisant des atomes froids,simuler la thermodynamique des trous noirs ».
De tels constructeurs peuvent également être utilisés pour assembler des ordinateurs quantiques, à l'aide desquels il est commode d'étudier la téléportation de particules quantiques.
Et regardez aussi dans un avenir lointain, 20 à 40 milliards d'années à venir, car l'Univers est en constante expansion et, selon les lois de la thermodynamique, sa température baisse progressivement. Avec le temps, il se refroidira en nanokelvins, et grâce aux simulateurs quantiques, nous pourrons observer son état dès maintenant.
