Anonim

MIT fysikere bygger verdens første fermionsmikroskop

Fysik

Colin Jeffrey

1. juni 2015

5 billeder

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har skabt et mikroskop, som de hævder, er i stand til at billedere de grundlæggende partikler, der udgør alle spørgsmål i universet (Credit: Jose-Luis Olivares / MIT)

Forskere, der arbejder ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) hævder at have skabt en metode til bedre at observere fermioner - de underatomiske byggesten af ​​materie - ved at konstruere et mikroskop, der kan se dem i grupper på tusind ad gangen. En laserteknik bruges til at besætte fermionerne i et synsfelt og derefter fryse dem på plads, så alle de indfangede partikler kan afbildes samtidigt.

I hele det kendte univers er der kun to typer partikler: fermioner og bosoner. Simpelthen er fermioner alle de partikler, der udgør noget (for eksempel elektroner), og bosoner er alle de partikler, der bærer kraft (for eksempel fotoner).

Fermioner omfatter elektroner, neutroner, kvarker, protoner og atomer, der består af et ulige antal af nogen eller alle disse elementære partikler. På grund af disse partiers underlige (og ikke fuldstændigt forståede) natur med hensyn til deres kvantespindestande vælger forskere imidlertid ofte at anvende gasser af ultrakold fermioniske atomer som proxier for andre fermioner.

I de sidste to årtier har fysikere, der studerer ultracold atomgasser af bosonpartikler - som fotoner - kunnet gøre det relativt let, fordi bosoner kan besætte den samme kvantetilstand i grænseløse tal. Fermioner er imidlertid meget sværere at manipulere til billeddannelse, da de ikke kan holdes i samme kvantetilstand i store mængder og er meget sværere at reducere til de temperaturer, der kræves for at bremse dem ned nok til at se dem.

Fysikere ved Harvard University skabte med succes et bosonmikroskop, der kunne løse individuelle bosoner i et optisk gitter så langt tilbage som i 2009. Samtidig udviklede Max Planck Institute of Quantum Optics også et andet bosonmikroskop. Og selvom disse mikroskoper udsatte bosons adfærd, forblev deres modstykker - fermioner - uholdbare uden et tilsvarende fermionsmikroskop. .

"Vi ønskede at gøre, hvad disse grupper havde gjort for bosons, men for fermions, " sagde zwierlein siger. "Og det viste sig, at det var meget sværere for fermioner, fordi de atomer, vi bruger, ikke er så let afkølet. Så vi var nødt til at finde en ny måde at køle dem på, mens de så på dem. "

Hvad der kræves for at studere fermioner er en måde at reducere deres temperatur og dermed deres bevægelse til et punkt, der er lavt nok til at billedere dem. Men selv teknikker, der resulterede i den første nogensinde laboratorierealisering af Bose-Einstein-kondensation i 1995 (hvilket resulterede i en nobelpris i 2001) eller senere arbejde, der så lasere afkøle atomer til et par ti tusinde af en grad over absolut nul er utilstrækkelige til at opnå den nødvendige afkøling til billedfermionatomer.

For at overvinde dette problem skabte MIT-forskerne oprindeligt et optisk gitter ved hjælp af laserstråler for at danne et arrangement af lysbrønde "som kunne magnetisk fælde og holde en enkelt fermion på plads (en teknik svarende til den, der anvendes af University of California at fange cæsiumatomer og billedrotoner). Ved anvendelse af en række stadier af reduktion af lasertemperaturen og mere fordampningskøling af gassen (i dette tilfælde kaliumgas) blev atomerne afkølet til lige over absolut nul, hvilket var koldt nok til at holde individuelle fermioner på plads på det optiske gitter.

Da fermionerne flytter til denne lavere energitilstand, frigiver de også fotoner af lys, der så kan fanges af mikroskopet og bruges til at lokalisere en fermions eksakte position inden for gitteret med et nøjagtighedsniveau, der er større end lysets bølgelængde.

"Det betyder, at jeg ved, hvor de er, og jeg kan måske flytte dem rundt med en lille pincet til et hvilket som helst sted, og arrangere dem i ethvert mønster, jeg gerne vil, « sagde Martin Zwierlein, en professor i fysik ved MIT og et medlem af teamet, der arbejder på projektet.

Desværre var denne stabilitet tåbelig, fordi - når lys var skinnet på atomerne for at se dem - kunne individuelle fotoner banke dem ud af sted.

Holdet løst dette ved at anvende en to laserstråle tilgang, hvor bjælker af forskellige frekvenser blev brugt til at ændre fermion atomets energistatus. Ved samtidig fyring af de to bjælker ved atomet, således at en strålefrekvens blev absorberet af partiklen, ville den udsende en tilsvarende foton som reaktion. Dette på sin side tvang partiklen i en lavere energitilstand og således afkølet det yderligere ved at reducere dets excitationsniveauer.

Resultatet af denne forskning er ifølge teamet, at billedoptagelsen med høj opløsning på mere end 1.000 fermioniske atomer alt sammen på én gang vil bidrage til at forbedre vores grundlæggende forståelse af disse ubehagelige partikler. Da elektroner også er fermioner, er det håbet, at disse oplysninger eventuelt kan hjælpe med at undersøge superledere med høj temperatur, med deres iboende fordele ved lossløs energitransport og udvikling af kvantecomputersystemer.

"Fermi gasmikroskopet, sammen med evnen til at positionere atomer efter ønske, kan være et vigtigt skridt i retning af realiseringen af ​​en kvantecomputer baseret på fermioner, " sagde Zwierlein. "Man ville således udnytte kraften i de samme samme intrikate kvantumregler, som hidtil hæmmer vores forståelse af elektroniske systemer. "

Resultaterne af denne forskning er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters

Kilde: MIT

Graduate student Lawrence Cheuk justerer optik opsætningen til laser afkøling af natrium atomer. (Kredit: Jose-Luis Olivares / MIT)

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology har skabt et mikroskop, som de hævder, er i stand til at billedere de grundlæggende partikler, der udgør alle spørgsmål i universet (Credit: Jose-Luis Olivares / MIT)

Natriumatomer diffunderer ud af en ovn for at danne en atomstråle, som derefter sænkes og fanges ved hjælp af laserlys. (Kredit: Jose-Luis Olivares / MIT)

Et kvantegasmikroskop til fermioniske atomer. Atomer, kalium-40, afkøles under billeddannelse med laserlys, hvilket gør det muligt at samle tusindvis af fotoner af mikroskopet. (Kredit: Lawrence Cheuk / MIT)

Fermi-gasmikroskopegruppen: (fra venstre) kandidatstuderende Katherine Lawrence og Melih Okan, postdoc Thomas Lompe, kandidatstudent Matt Nichols, professor Martin Zwierlein og kandidatstuderende Lawrence Cheuk. (Kredit: Jose-Luis Olivares / MIT)

Ønsker du en renere, hurtigere læsning og annoncefri læseoplevelse?
Prøv New Atlas Plus. Tilmeld dig nu for kun AU $ 29 om året.

Anbefalet Redaktørens Valg