Den direkte observation af Pauli -princippet

Pauli -udelukkelsesprincippet er en kvantemekaniklov indført af den østrigske fysiker Wolfgang Pauli, som giver værdifuld indsigt om stofets struktur. Mere specifikt, Pauli -princippet siger, at to eller flere identiske fermioner ikke samtidigt kan optage den samme kvantetilstand inde i et kvantesystem.

Forskere ved Heidelberg Universitets fysikinstitut har for nylig observeret dette princip direkte i et kontinuerligt system bestående af op til seks partikler. Deres eksperiment, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne bane vejen mod en bedre forståelse af stærkt interagerende systemer bestående af fermioner.

"Visionen om at studere komplekse mangekropssystemer, der starter fra små, godt forstået, byggesten har en lang historie i vores gruppe, "Luca Bayha og Marvin Holten, to af forskerne, der udførte den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org via e -mail. "Dette startede med forsøg, hvor vi dannede et fermi -hav et atom ad gangen, kulminerede i en af ​​vores seneste undersøgelser, hvor vi kunne observere tegn på en kvantefaseovergang i systemer med så få som seks atomer. "

I de seneste år, Bayha, Holten og deres kolleger lagde en stor indsats i at udvikle en ny teknik, der giver dem mulighed for at forestille enkeltatomer i mesoskopiske systemer, for at undersøge dem mere detaljeret. I deres seneste undersøgelse, de anvendte denne teknik på kontinuerlige systemer med op til seks ikke-interagerende fermioniske atomer for første gang.

"Hovedformålet med vores undersøgelse var at observere højere ordens korrelationer i et kontinuerligt system, "Bayha og Holten sagde." Det ikke-interagerende system fungerer som et ideelt udgangspunkt for at benchmark vores eksperiment. "

I 2016, en forskergruppe ledet af Mariusz Gajda foreslog først, at højere ordens korrelationer kunne visualiseres som 'Pauli -krystaller'. Pauli-krystaller er smukke mønstre, der kan dukke op i en sky af fangede og ikke-interagerende fermioner.

Indtil nu, Bayha, Holten og deres kolleger observerede disse mønstre i systemer indeholdende op til seks partikler. I den nærmeste fremtid, imidlertid, de håber at kunne udføre yderligere forsøg med flere partikler og stærke interaktioner. Dette ville give dem mulighed for yderligere at undersøge parring og overflødighed i 2-D-systemer.

"Den direkte observation af Paulis princip i kontinuerlige systemer stiller temmelig udfordrende krav til eksperimentet, "Bayha og Holten forklarede." Systemet skal være koldt nok og kontrolleret på meget lave absolutte energivægter. Kun der, bølgefunktionerne i de enkelte partikler overlapper hinanden, og deres fermioniske natur bliver vigtig. "

For at sikre, at de direkte kunne overholde Pauli -princippet i kontinuerlige systemer, forskerne perfektionerede en køleteknik, som de var banebrydende for et par år siden. Denne teknik gør det muligt at fjerne alle 'varme' atomer med højere energier fra et system på en deterministisk måde. Ved at fjerne disse atomer, forskerne var i stand til at forberede systemets grund (dvs. laveste energi) tilstand med høje niveauer af troskab.

Efter at de havde afkølet et system nok, Bayha, Holten og deres kolleger havde brug for at indsamle observationer med en enkelt atomopløsning og høj detektionsfidelitet, at overholde Pauli -princippet. De opnåede dette ved at lade skyen af ​​atomer ekspandere i en given tid, før de tog et billede.

"Den metode, vi brugte, forstørrer systemet effektivt med en faktor 50, "Bayha og Holten sagde." Vi belyser derefter skyen med to modsatte laserstråler og samler spredte fotoner på et ekstremt følsomt kamera, der registrerer næsten hver eneste foton, der rammer chippen. Tilsammen giver disse metoder os mulighed for at løse enkeltatomer med detekteringssandsynligheder i størrelsesordenen 99%. "

Observationerne indsamlet af dette team af forskere viser, at korrelationen mellem individuelle partikler også kan observeres i kontinuumsystemer, hvor individuelle partiklers bølgefunktioner overlapper hinanden. Indtil nu, Bayha, Holten og deres kolleger brugte den teknik, de udviklede til at observere Pauli -krystaller, som er smukke visualiseringer af Pauli -princippet. Imidlertid, den samme teknik kunne snart også bruges til at udforske andre stærkt korrelerede mange-kropssystemer.

"Vi planlægger nu at udvide billeddannelsesmetoden til at interagere systemer, ”Sagde Holten og Bayha.” Her, Korrelationerne mellem partiklerne opstår ikke på grund af Paulis princip, men skyldes interaktioner. Dette vil give os mulighed for at undersøge, hvordan korrelationer i interagerende systemer opstår på et mikroskopisk niveau og give ny indsigt i stærkt interagerende fermionisk stof og superfluider. "

© 2021 Science X Network