Версия для слабовидящих
Физики засняли срез фермионного облака Печать Email
Новости об инновациях
17.12.2015

Канадские физики усовершенствовали методику получения изображений фермионных газов: теперь стало возможным получать двумерные «срезы» трехмерной системы атомов-фермионов с высоким разрешением и возможностью точного позиционирования. Авторы считают, что их исследование поможет в создании трехмерных изображений фермионных конденсатов. Работа опубликована в журнале Physical Review A.

Сначала ученые охладили атомы 40K до сверхнизких температур,чтобы получить состояние так называемого фермионного конденсата — когда большая часть фермиевских частиц занимает минимально возможные энергетические уровни. Для этого авторыиспользовали методику ответного охлаждения, когда частицы «замораживаются» за счет других атомов, которые гораздо проще охлаждать — за счет бозонов.

Дело в том, что фермионы — частицы с полуцелым спином, и согласно принципу Паули, два фермиона не могут занимать одно квантовое состояние одновременно. Из-за этого система из нескольких фермионов будет распределяться по энергетическим уровням. Это значит, что только один из атомов будет находиться в состоянии с наименьшей энергией — у остальных она будет выше. Если один из «последних» атомов получит даже небольшое количество энергии— он «испарится», то есть перейдет на гораздо более высокий уровень. У бозонов же нет запрета, не позволяющего занимать уровень с наименьшей энергией. Поэтому охлаждать бозоны гораздо проще — малейшие флуктуации энергии не приводят к сильному увеличению кинетической энергии, и частицы не так легко «испаряются».

Изображение высокого разрешения системы фермиевских атомов калия, полученное методом флуоресцентной спектроскопии. Изображение: G. J. A. Edge, et al. / Physical Review A, 2015

В качестве такой бозонной добавки авторы использовали атомы 87Rb. Поместив смесь 40K и 87Rb в магнитную ловушку, ученые смогли охладить смесь стандартными методами (лазерными испарительным) до температур в 0,2 микрокельвин. Затем атомы рубидия удалялись из системы, а 40K помещали в так называемую оптическую решетку — систему перекрещенных лазерных лучей. При определенной конфигурации лазеров в такой системе образуется периодический потенциал с минимумами и максимумами энергии. Такая структуранапоминает кристаллическую решетку — отсюда и ее название.

Слева – система уровней для реализации электромагнитно индуцированной прозрачности, справа – иллюстрация образования оптической решетки. Изображение: G. J. A. Edge, et al. / Physical Review A, 2015

Затем ученые добавили в систему еще несколько лазеров, которые «провоцировали» в атомах определенные электронные переходы. Если в атоме могут реализовываться два электронных перехода на один и тот же уровень, при сочетании двух лазерных лучей соответствующей частоты в веществе возникает «окно прозрачности». То есть фотоны, которые при других условиях поглощались бы, перестают поглощаться. Этот эффект называется электромагнитно-индуцируемой прозрачностью. Из-за него возникает узкий провал в спектре поглощения вещества. Используя это явление, ученые не только поддерживали атомы в охлажденном состоянии, но и получали их изображения.

Облучим систему атомов светом с частотой, соответствующей первому из двух описанных выше переходов. Пусть в первой группе произошел электронный переход на нужный уровень, а в другой группе — на другой уровень (например, если изначально атом был в возбужденном состоянии). Затем будем воздействовать светом с частотой, соответствующей второму переходу. Первая группа атомов этого воздействия просто не заметит, а вторая — испарится, «поглотив» фотоны. Так ученые осуществляли «удаление» слишком «горячих» атомов.

Чтобы получить изображения «срезов» трехмерной решетки, авторы проводили эти манипуляции с электронными состояниями 40K в градиенте магнитного поля. Микроволновый импульс с частотой, соответствующей первому переходу, в присутствии такого поля приводил к резонансным электронным переходам в некоторых атомах — только в тех, которые находятся строго в одной из плоскостей трехмерной решетки, перпендикулярной градиенту поля. То есть выбирая частоту микроволнового импульса, можно выборочно поменять внутреннее состояние атомов в одной из таких плоскостей. Чтобы свести к минимуму электронные переходы в других плоскостях, использовался максимально возможный узкий луч, направленный вдоль соответствующего направления. При этом следующий импульс другой частоты «проверяет» наличие электромагнитно-индуцируемой прозрачности в этой плоскости, испаряя «нежелательные» атомы. Затем происходит релаксация — состояние атомов возвращается к первоначальному. При релаксации происходит излучение фотонов, соответствующих энергии перехода — их и детектирует спектрометр. Таким образом, ученые получают изображение отдельного «среза» фермионного облака. Авторы работы считают, что их исследование — первый шаг в создании трехмерных изображений фермионных газов.

Исследование особенностей поведения конденсатов Ферми-Диракаи Бозе-Эйнштейна может помочь в понимании природы многих явлений: от структуры периодической системы элементов до сверхпроводимости. В настоящее время два метода визуализации отдельных атомов-фермионов оказались эффективными. В одном из них лазерное излучение инициирует рамановские электронные переходы в атоме: охлаждение происходит за счет разницы энергий поглощенного и испускаемого фотона. Второй метод,основанный на эффекте электромагнитно-индуцируемой прозрачности, был уже успешно применен ранее для получения двумерных изображений переохлажденных атомов 40K.

Автор: Екатерина Митрофанова

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/fiziki-zasnyali-srez-fermionnogo-oblaka

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта