Збір даних про становище нейтральних ферміонів в почесному гармонійному потенціалі дозволив фізикам вперше побачити кристали Паулі і дослідити їх плавлення. Про це повідомляється в препринті, розміщеному на arxiv.org
Оновлено: у січні 2021 року стаття опублікована в.
Кристалічна структура у фізиці часто виникає у випадках, коли відштовхувальна взаємодія між частинками компенсується деякою притягуючою силою. Наприклад, для Вигнерівського кристала кулонівське відштовхування електронів в одномірному провіднику перевершує їх кінетичну енергію, і електрони локалізуються. У разі кулонівського кристала відштовхування іонів компенсується загальним потенціалом електромагнітної пастки.
Однак є і зовсім інший механізм утворення симетричної структури - небайдужість однакових частинок. Він проявляється навіть при повній відсутності взаємодії між частинками. Принцип заборони Паулі свідчить, що два ферміони не можуть перебувати в однаковому квантовому стані одночасно, тому якщо помістити кілька непорушних ферміонів у загальний потенціал, то це неминуче призведе до появи ^ реляції між різними положеннями частинок. Іншими словами, ферміони самоорганізуються і утворюють всередині потенційної ями кристалоподібну структуру, яка мінімізує ймовірність знаходження двох частинок в одній точці. Така взаємодія тотожних частинок носить назву обмінної взаємодії, а виникаюча структура називається кристалом Паулі.
Незважаючи на сильні апріорні аргументи на користь існування кристалів Паулі, раніше їх не вдавалося виявити в експерименті з кількох причин. По-перше, необхідно довести взаємодію між ферміонами до мінімуму. По-друге, потрібна висока однорідність потенціалу пастки. По-третє, потрібно забезпечити вкрай ефективне охолодження системи, оскільки ефекти обмінної взаємодії стають помітними тільки при достатньому перекритті хвильових функцій окремих частинок.
Сильного кулонівського відштовхування найпростіше уникнути при роботі з нейтральними атомами. Раніше вчені з Варшавського інституту фізики передбачили утворення кристала Паулі в системі з декількох нейтральних атомів в загальному гармонійному (квадратичному) потенціалі. Саме цю пропозицію взяли за основу Марвін Холтен (Marvin Holten) і його колегами з університету Гейдельберга в поточній роботі.
Як частинки автори вибрали атоми літію 6Li. Гармонійний потенціал створювали за допомогою оптичного пінцету і одного шару притягуючої оптичної решітки. Частоти цих пасток фізики підбирали таким чином, щоб обмежити рух атомів в аксіальному напрямку і дозволити рух в радіальній площині. Виродженість рівня n ^ ерного гармонійного осцилятора дорівнює n + 1, що дозволяє створювати конфігурації з N + N атомів - по N на кожен спиновий стан надтонкої структури, при цьому N = 1, 3 або 6.
Для виявлення кристала необхідно визначати координати атомів. Однак, для випадку гармонійного осцилятора реєстрація положень атомів повністю еквівалентна вимірюванню їх імпульсів, оскільки поліноми Ерміта, через які виражається хвильова функція, не змінюються при перетворенні Фур'є. Під час реєстрації імпульсів використовувалася EMCCD-камера, яка детектує флуоресцентне випромінювання від атомів. Після необхідних перетворень камера забезпечує ефективну просторову роздільну здатність близько 200 нанометрів. Реєстрація імпульсу кожної частинки дозволяє розрахувати N-часткові кореляційні функції положення атомів. Для побудови кожного зображення кристала використовувалося від 10 до 20 тисяч знімків.
Спочатку визначається імпульс центру мас атомів, після чого він віднімається з вимірених імпульсів окремих частинок. Отримані одночасткові розподілі поєднуються один з одним за допомогою повороту, оскільки вісь симетрії в кожному експерименті випадкова. Для випадку N = 3 і N = 6 багаточастковий розподіл моментів виявляється симетричним, що говорить про спостереження кристала Паулі.
Автори досліджували також плавлення кристала Паулі - руйнування симетричної структури при плавному збільшенні температури атомів. Зменшення контрасту кристалічної картини при зменшенні температури добре узгоджується з результатами з розрахунку N-часткової хвильової функції за методом Монте-Карло. На думку авторів, розроблена методика визначення координат одиночних атомів може використовуватися при дослідженні різних квантових газів і процесів куперівського спарювання електронів у надпровідниках.
Сучасні методи оптичної маніпуляції та детектування окремих атомів активно використовується в атомній фізиці. Раніше ми писали про рекомбінацію атомів, утримуваних оптичними пінцетами. У 2018 році британський фізик зміг зняти на звичайну дзеркальну камеру випромінювання іона стронцію.