Какие же последствия имеет выполнение принципа Паули в природе? В качестве самого яркого примера можно привести структуру атома, в котором электроны занимают вокруг атомного ядра различные орбитали. Электроны относятся к фермионам и просто не могут оказаться в одной точке, потому что в этом случае их квантовые характеристики полностью совпадут, а это для них запрещено. И в результате они вынуждены находиться на каком-то расстоянии друг от друга. Можно даже сказать, что именно принцип Паули создает атому объем.
Если продолжать рассуждения, то можно придумать физическую систему, для которой запрет на нахождение фермионов в одной точке будет играть определяющую роль в формировании ее структуры. Рассмотрим систему из большого числа одинаковых невзаимодействующих фермионов. В такой ситуации фермионы все вместе будут образовывать газ, в котором взаимное отталкивание будет обеспечиваться исключительно за счет принципа Паули. Если этот газ охладить и сжать, то оказавшиеся рядом друг с другом фермионы начнут самоорганизовываться и образовывать структуру в виде кристалла, чтобы в соответствии с принципом Паули исключить нахождение двух фермионов в одной точке. Такое взаимное отталкивание фермионов называют обменным взаимодействием, а возникающую структуру – кристаллом Паули. И именно такой кристалл впервые наблюдали ученые из Гейдельберга.
Чтобы наблюдать такой необычный объект ученым пришлось создать довольно сложную установку, которая сначала позволила с помощью лазеров собрать из облака охлажденных атомов Лития-6 плоский слой толщиной в один атом, а затем и сфотографировать взаимное положение атомов в пространстве. При этом необходимо было исключить вклад от изначального импульса атомного облака, выбрать нужный ракурс, идентифицировать конкретные атомы в серии снимков, что потребовало серьезных усилий при обработке фото. Все вместе и позволило наблюдать рождение и разрушение кристаллов Паули.
Нельзя сказать, что этот эксперимент открыл какое-то новое направление в науке, принцип Паули и его проявления известны давно. Но вот тонкость эксперимента восхищает. А возможность в деталях исследовать обменное взаимодействие может иметь колоссальное значение для уточнения методов функционала плотности, которые сейчас являются основным инструментом расчетов в физике твердого тела, химии, биофизике, микробиологии и много другого.
Observation of Pauli Crystals, arXiv:2005.03929 [cond-mat.quant-gas] arxiv.org/abs/2005.03929
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.