Wymiary syntetyczne. Jak powstały?

Fizycy wykorzystali elektrony do stworzenia tzw. wymiarów syntetycznych. Udało się to dzięki manipulacjami ultrazimnymi atomami Rydberga.
Naukowcy z Uniwersytetu Rice’a stworzyli syntetyczne wymiary
Naukowcy z Uniwersytetu Rice’a stworzyli syntetyczne wymiary

Nasze zmysły dostrzegają tylko trzy wymiary, ale naukowcy wiedzą, że jest ich znacznie więcej. Zespół fizyków nauczył się kontrolować elektrony w gigantycznych atomach Rydberga z taką precyzją, że może tworzyć syntetyczne wymiary – ważne narzędzie do symulacji kwantowych.

Zimno, coraz zimniej

Naukowcy opracowali technikę tworzenia stanów Rydberga w ultrazimnych atomach strontu poprzez zastosowanie rezonansowych mikrofalowych pól elektrycznych. Stan Rydberga powstaje, gdy jeden elektron w atomie zostaje wzbudzony do wyższego energetycznie stanu, powiększając swoją orbitę. Atom powiększa swój rozmiar nawet tysiąc razy.

Czytaj też: Japończycy stworzyli syntetyczny wymiar. Prowadzą dzięki temu szereg badań

Co ciekawe, ultrazimne atomy Rydberga są trwałe w temperaturze ok. milionowej części stopnia powyżej zera bezwzględnego. Zespół uczonych z Uniwersytetu Rice’a: Tom Killian, Barry Dunning i Kaden Hazzard byli w stanie precyzyjnie manipulować ruchem elektronów, który symuluje zachowania prawdziwych materiałów. Badania opisane w Nature Communications mogą pozwolić na stworzenie potężnej platformy do badań zjawisk kwantowych.

W typowym eksperymencie z fizyki w szkole średniej można zobaczyć linie emisji światła z atomów, które odpowiadają przejściu z jednego poziomu energetycznego na drugi. Można to zaobserwować nawet za pomocą bardzo prymitywnego spektrometru: pryzmatu. Nowością jest to, że myślimy o każdym poziomie jako o miejscu w przestrzeni. Wysyłając światło o różnej długości fali, możemy łączyć poziomy. Możemy sprawić, że poziomy będą wyglądały jak cząstki, które po prostu przemieszczają się między miejscami w przestrzeni. Trudno to zrobić ze światłem – lub promieniowaniem elektromagnetycznym o długości nanometrów – ale my pracujemy z falami o długości milimetra, co z technicznego punktu widzenia znacznie ułatwia tworzenie sprzężeń.prof. Kaden Hazzard

Naukowcy zademonstrowali swoje techniki, realizując siatkę 1D znaną jako układ Su-Schrieffera-Heegera. Aby go stworzyć, użyto laserów do schłodzenia atomów strontu i zastosowano mikrofale, aby stworzyć syntetyczny wymiar. Drugi zestaw laserów został użyty do wzbudzenia atomów do różnorodnych stanów Rydberga.

Możemy ustawić oddziaływania, sposób poruszania się cząstek i uchwycić wszystkie ważne elementy fizyki znacznie bardziej skomplikowanego układu. Naprawdę ekscytujące będzie, gdy połączymy wiele atomów Rydberga, aby stworzyć oddziałujące cząstki w tej syntetycznej przestrzeni. Dzięki temu będziemy w stanie zajmować się fizyką, której nie da się symulować na klasycznym komputerze, ponieważ bardzo szybko staje się skomplikowana.prof. Tom Killian