Ученые создали новый тип кристаллов, основанный только на квантовом правиле, называемом принципом исключения Паули, используя лазеры, чтобы ограничить атомы лития (изображены в центре) в области внутри вакуумной камеры.
Некоторые частицы избегают друг друга, потому что им запрещено принимать то же квантовое состояние, что и их соседи. Атомы могут так неохотно перекрывать друг друга, что они образуют кристаллоподобную структуру, даже когда они не оказывают никаких сил друг на друга. Эта конфигурация, называемая кристаллом Паули , является результатом квантово-механического правила, называемого принципом исключения Паули.
Хотя сами кристаллы Паули основаны на известной физике, техника, используемая для их наблюдения, может помочь ученым лучше понять некоторые загадочные состояния вещества, такие как сверхпроводники, материалы, которые проводят электричество без сопротивления, или сверхтекучие жидкости, которые текут без трения.
Открытый в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули принцип исключения Паули запрещает электронам в атоме приобретать совпадающие наборы квантовых свойств, таких как энергия и угловой момент . Вскоре физики осознали, что это правило регулирует не только электроны, но и целый класс частиц, называемых фермионами, который помимо электронов включает в себя протоны, нейтроны и многие типы атомов. В результате фермионы могут отталкивать друг друга без непосредственного взаимодействия. В то время как типичные кристаллы образуют свое регулярное расположение благодаря электромагнитным взаимодействиям, кристалл Паули образуется только благодаря этому отталкиванию.
Йохим и его коллеги создали свой кристалл Паули из атомов лития, загнанный лазерами в двумерную область с радиусом около микрометра. Исследователи помещают группы из трех или шести атомов в эту ловушку одновременно. Атомы были слишком близко друг к другу, чтобы напрямую отобразить их положение, чтобы обнаружить какую-либо кристаллическую структуру. Вместо этого команда измерила импульсы атомов, наблюдая, куда частицы попадают, когда выпущены. После многократного повторения эксперимента исследователи обнаружили корреляции или закономерности в импульсах атомов.
Поскольку положение и импульс являются тесно связанными свойствами для этих захваченных частиц, связь между импульсами также означает, что атомы образовали правильную пространственную конфигурацию, похожую на кристалл. В зависимости от количества частиц в ловушке возникали различные формы импульсов частиц в форме цветка.
