Kolde atomer giver et glimt af flad fysik

Disse dage, film og videospil gengiver stadig mere realistiske 3-D-billeder på 2-D-skærme, giver seerne en illusion om at se ind i en anden verden. For mange fysikere, selvom, at holde tingene fladt er langt mere interessant.

En grund er, at flade landskaber kan låse op for nye bevægelsesmønstre i atomernes og elektronernes kvanteverden. For eksempel, at fjerne den tredje dimension gør det muligt for en helt ny klasse af partikler at dukke op - partikler, der ikke passer pænt ind i de to klasser, bosoner og fermioner, leveret af naturen. Disse nye partikler, kendt som enhver, ændre sig på nye måder, når de bytter sted, en bedrift, der en dag kunne drive en speciel race af kvantecomputere.

Men nogen og de betingelser, der producerer dem, har været ekstremt svære at få øje på i eksperimenter. I et par papirer, der blev offentliggjort i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve , JQI -stipendiat Alexey Gorshkov og flere samarbejdspartnere foreslog nye måder at studere denne usædvanlige flade fysik på, hvilket tyder på, at et lille antal begrænsede atomer kunne fungere som stand-ins for de finete elektroner, der først blev forudsagt at udvise lavdimensionelle finesser.

"Disse to artikler føjer sig til den voksende litteratur, der demonstrerer løftet om kolde atomer til at studere eksotisk fysik i almindelighed og enhver i særdeleshed, "Siger Gorshkov. "Koblet med de seneste fremskridt inden for kolde atomeksperimenter – herunder af gruppen af ​​Ian Spielman ved JQI – antyder dette arbejde spændende eksperimentelle demonstrationer, der måske er lige rundt om hjørnet."

I det første papir, som blev valgt som et redaktionsforslag, Gorshkov og kolleger foreslog at lede efter en ny eksperimentel signatur af nogen-en der kan være synlig i en lille samling atomer, der hopper rundt i et 1-D-gitter. Tidligere arbejde antydede, at sådanne systemer kunne simulere enhvers bytteadfærd, men forskerne kendte kun til måder at få øje på virkningerne ved ekstremt kolde temperaturer. I stedet, Fangli Liu, en kandidatstuderende ved JQI, sammen med Gorshkov og andre samarbejdspartnere, fundet en måde at opdage tilstedeværelsen af ​​nogen uden at have brug for sådanne frigide klimaer.

Normalt, atomer spredes symmetrisk over tid i et 1-D gitter, men nogen vil generelt favorisere venstrefløjen over højre eller omvendt. Forskerne hævdede, at ligefremme ændringer af laseren, der blev brugt til at skabe gitteret, ville få atomerne til at hoppe mindre som dem selv og mere som nogen. Ved at måle den måde, hvorpå antallet af atomer på forskellige steder ændres over tid, det ville så være muligt at få øje på den asymmetri, der forventes af nogen. Desuden, justering af laseren ville gøre det let at skifte den foretrukne retning i forsøget.

"Motivationen var at bruge noget, der ikke krævede ekstremt kolde temperaturer til at undersøge nogen, "siger Liu, avisens hovedforfatter. "Håbet er, at nogle lignende ideer måske kan bruges i mere generelle omgivelser, som at lede efter beslægtede asymmetrier i to dimensioner. "

I det andet papir, Gorshkov og en separat gruppe af samarbejdspartnere fandt teoretiske beviser for en ny tilstand af stof tæt forbundet med en Laughlin-væske, det prototypiske eksempel på et stof med topologisk orden. I en Laughlin -væske, partikler - oprindeligt elektroner - finder udførlige måder at undgå hinanden på, hvilket fører til fremkomsten af ​​nogen, der kun bærer en brøkdel af den elektriske ladning, som en elektron har.

"Anyons er stort set stadig teoretiske konstruktioner, " siger Tobias Grass, en postdoktor ved JQI og hovedforfatter til det andet papir, "og eksperimenter mangler endnu at vise dem endegyldigt."

Selvom fraktionelle ladninger er blevet observeret i forsøg med elektroner, mange af deres andre forudsagte ejendomme er forblevet umådelige. Dette gør det svært at søge efter anden interessant adfærd eller at studere Laughlin -væsker nærmere. Græs, Gorshkov og deres kolleger foreslog en måde at manipulere interaktionerne mellem en håndfuld atomer og opdagede en ny tilstand af stof, der blander egenskaber ved Laughlin -væsken og en mindre eksotisk krystalfase.

Atomer i denne nye tilstand undgår hinanden på samme måde som elektroner i en Laughlin -væske, og de falder også ind i et regulært mønster som i en krystal – om end på en mærkelig måde, med kun halvdelen af ​​et atom, der indtager hvert krystalsted. Det er en unik blanding af krystalsymmetri og mere kompleks topologisk orden - en kombination, der kun har modtaget meget lidt tidligere undersøgelse.

"Ideen om, at du har et bosonisk eller fermionisk system, og så opstår der fra interaktioner en helt anden fysik - det er kun muligt i lavere dimensioner, "Græs siger." At have en eksperimentel demonstration af nogen af ​​disse faser er bare interessant ud fra et grundlæggende perspektiv. "