Naukowcy z Uniwersytetu Rice'a stworzyli syntetyczne wymiary

Wymiary syntetyczne. Jak powstały?

Fizycy wykorzystali elektrony do stworzenia tzw. wymiarów syntetycznych. Udało się to dzięki manipulacjami ultrazimnymi atomami Rydberga.

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