Физиците създадоха първия в света фермионен микроскоп

Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) създадоха първия в света фермионен микроскоп. Охлажданите с помощта на два лазера с различни дължини на вълните атоми калий

⁴⁰K преминават на все по-ниски енергийни нива. При това фермионите изпускат фотони, които се улавят от микроскопа и дават картина.

Цялата известна ни материя се състои от бозони и фермиони. Фермионите формират материята – това са кварки, от които се състоят протоните и неутроните, които сами по себе си се явяват фермиони, а също лептони (електрони, мюони, тау-лептони, неутрино). Бозоните са преносители на взаимодействието (фотони, глуони W и Z бозони и прочутият бозон на Хигс).

През 2009 година в Харвардския университет успяват да построят бозонен микроскоп, а през 2010 работата им повтарят в Института за квантова оптика „Макс Планк“. Но виждането на фермиони в микроскоп досега не е постигано поради забраната на Паули, според която в затворена квантова система два и повече тъждествени фермиона (частици с половин спин) не могат едновременно да се намират в едно квантово състояние.

Затова опитите да се охлади облак фермиони водеха дотам всички те да се подреждат на различни енергийни състояния и частиците, които са с най-голяма енергия, не беше възможно да се охладят повече.

В изследване, публикувано през май 2015 г. екипът изследователи разказва за своите постижения. „Искахме да постигнем същото, което предишните групи са успели да направят с бозоните. Но се оказа, че с фермионите това е още по-трудно – не е толкова лесно да се охладят“, казва Мартин Цвирлайн, един от участниците в екипа.

С два лазерите учените създали клетъчна мрежа, в клетките на която, като в „енергийни ями“ били уловени и задържани фермионите. Постепенното охлаждане водело до това фермионният газ да достигне температура, близка до абсолютната нула, и отделни фермиони да могат да се задържат дълго в клетките. Изпусканите при това фотони се улавяли от микроскопа.

„Това значи, че аз знам къде се намират фермионите и мога, условно казано, с пинсета да ги придвижа накъдето искам и да направя от тях всеки модел“, казва Цвирлайн. Поради това, че се намират в изолирани клетки, фермионите не взаимодействат помежду си и принципът на Паули не им пречи да се охладят.

Както пояснява изследователят, тяхната работа може да помогне в бъдещата работа по създаването на високотемпературни свърхпроводници, тъй като такъв микроскоп може да изкачи на ново ниво изучаването на електроните, които също се явяват фермиони. Освен това възможността да се задържат и придвижат отделни фермиони е пряко свързана с технологиите по създаване на квантови компютри.