Imagínese mirando una mariposa rápida pero frágil. Mientras revolotea, es bastante difícil estudiarlo en detalle, por lo que debe recogerlo. Pero tan pronto como estuvo en tus palmas, las alas se arrugaron y perdieron color. Es solo que la mariposa es demasiado vulnerable y cualquier impacto que tengas cambiará su apariencia.
Ahora imagina una mariposa que cambia de apariencia de una sola mirada. Así es como se comportan los electrones individuales en un sólido. Tan pronto como los científicos "miran" un electrón, su estado ya es diferente del original. Este hecho complica significativamente el estudio de la física del estado sólido, un campo de la ciencia que describe las propiedades de los sólidos (todas las sustancias con una red cristalina) en términos de su estructura atómica. La creación de computadoras, teléfonos y muchos otros dispositivos, sin los cuales no podemos imaginar la vida, es el mérito de esta rama de la ciencia.
Si los electrones no se pueden "ver", deben ser reemplazados por algo más grande, decidieron los científicos. Los candidatos al lugar de los electrones deben conservar sus propiedades de tal manera que las ecuaciones que describen los procesos en un sólido permanezcan inalteradas. Los átomos a temperaturas ultrabajas han llegado a este papel. En el mundo físico, la temperatura es análoga a la energía: cuanto más baja es, más inmóvil se vuelve el objeto. A temperatura ambiente, un átomo de oxígeno en el aire se mueve a una velocidad de varios cientos de metros por segundo, pero cuanto más baja es la temperatura, más lenta es su velocidad. Se considera que la temperatura mínima en nuestro mundo es de cero grados Kelvin, o menos 273,15 ° C.
Comparación del comportamiento de átomos en un sólido a temperatura ambiente y átomos a temperaturas ultrabajas / Ilustración de RIA Novosti. A. Polyanina
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Los átomos ultrafríos se enfrían a microkelvin o menos, donde la velocidad de movimiento es de solo unos pocos centímetros por segundo.
A partir de estos átomos y una red óptica, los científicos han creado un cristal artificial de estructura similar a los sólidos naturales. La propia red óptica, que asume el papel de la red atómica de un sólido, se crea utilizando láseres cuyos rayos se cruzan en ángulos específicos. Al controlar la posición de los láseres y su potencia, se puede cambiar continuamente la geometría de la red y, al imponer un campo adicional, cambiar la interacción entre los "electrones" de repulsiva a atractiva.
Así imagina el artista una celosía de cristal artificial / Ilustración de RIA Novosti. A. Polyanina
Pero para realizar experimentos, es necesario controlar el movimiento de los electrones. Son susceptibles a los campos eléctricos y magnéticos porque tienen carga. Los átomos que reemplazan a los electrones en un cristal artificial son neutros, por lo que fue necesario encontrar un reemplazo para la fuerza que los controla. El campo eléctrico ha sido reemplazado con éxito por la gravedad, que es responsable del movimiento rectilíneo del electrón. Sin embargo, los electrones en un campo magnético giran, su trayectoria se puede describir como una espiral. Por lo tanto, los investigadores crearon un campo magnético sintético que tiene el mismo efecto sobre los átomos en movimiento que un campo magnético real, que es la condición principal para estudiar las leyes fundamentales.
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Diagrama del movimiento de electrones en un campo electromagnético / Fotolia / Peter Hermes Furian
Así, los físicos pudieron estudiar las propiedades de cualquier sólido (metales, semiconductores, dieléctricos), experimentar con ellos y cambiarlos a voluntad. Resulta que los científicos han creado un cierto "constructor", un sistema que simula las propiedades del mundo cuántico de los electrones, pero, a diferencia de él, es fácilmente accesible para la investigación.
Se pueden ensamblar otros sistemas a partir del "constructor cuántico", incluidos los que no existen en la naturaleza. Por ejemplo, todas las partículas elementales se dividen en bosones y fermiones. Los bosones tienen un número de espín entero y los fermiones un medio entero. Usando isótopos de átomos, es posible convertir electrones en el sólido artificial discutido anteriormente de fermiones a bosones.
“Además de los problemas de la física del estado sólido, los constructores cuánticos basados en átomos fríos se pueden utilizar para resolver problemas de otras áreas, por ejemplo, la física de partículas elementales”, explica el investigador jefe del laboratorio de teoría de procesos no lineales del Instituto de Física del SB RAS y profesor del Departamento de Física Teórica de la Universidad Federal de Siberia. Doctor en Física y Matemáticas Andrey Kolovsky. - La interacción entre partículas elementales se realiza a través de los denominados campos gauge. El campo electromagnético que nos es familiar desde la escuela, responsable de la interacción entre cargas, es un caso especial de campos de calibre. En principio, se pueden modelar campos distintos de los campos electromagnéticos, y esos estudios ya están en marcha. Otra área es la astrofísica, donde los científicos, utilizando átomos fríos,simular la termodinámica de los agujeros negros”.
Dichos constructores también pueden usarse para ensamblar computadoras cuánticas, con la ayuda de las cuales es conveniente estudiar la teletransportación de partículas cuánticas.
Y también mire hacia el futuro lejano, 20-40 mil millones de años por delante, porque el Universo se expande constantemente y, de acuerdo con las leyes de la termodinámica, su temperatura está disminuyendo gradualmente. Con el tiempo, se enfriará a nanokelvins y, gracias a los simuladores cuánticos, podremos observar su estado ahora mismo.
