Хабрахабр

Назад в будущее: практическое подтверждение теории Томонаги — Латтинжера спустя почти 56 лет

Их совершенствование подпитывалось различными исследованиями и открытиями, каждое из которых находило новые способы реализации, будь то материалы, модели системы или новые алгоритмы. Многие технологии сильно изменились с момента своего изобретения. Когда-то они занимали целые комнаты и весили по несколько тонн, а сейчас у каждого из нас есть мобильный телефон, чья мощность в разы превышает те габаритные компьютеры. Визуально одним из самых ярких примеров являются вычислительные устройства. Сегодня мы поговорим об исследовании, которое как раз может сильно повлиять на процесс минимизации, а точнее об опытном подтверждении теории одномерных электронов, которой уже без малого 56 лет. Но процесс минимизации устройств и их составляющих далек от завершения, ибо пока есть куда уменьшать, ученые будут изобретать новые способы чтобы этого достичь. Поехали.

Предыстория исследования

Далее, в 1963 году Хоакин Латтинжер внес некие правки в теорию. В далеком 1950 году японский физик Синъитиро Томонага предложил новую на тот момент теоретическую модель, которая описывает взаимодействие электронов в одномерном проводнике. Латтинжер же переиначил теорию, учитывая Блоховские волны. Дело в том, что в теории при определенных ограничениях взаимодействие второго порядка между электронами можно описать как бозонные взаимодействия. Это показало, что ограничения, внедренные Томонага, не нужны для реализации модели.


Синъитиро Томонага (1953 год)

Они отличаются друг от друга тем, что у первой нулевой спин и заряд, как у электрона, а у второй — заряд 0, зато спин равен 1. По своей сути данная модель является описанием поведения электронов с помощью двух квазичастиц. Также в теории утверждается, что воздействие на один лишь заряд или спин электрона может вызвать реакцию всех электронов. При этом квазичастицы двигаются с разной скоростью.

Однако в данном исследовании они нашли выход из затруднительного положения, применив холодные атомы. Проверить данную теорию опытным путем крайне сложно, ибо ученым пока не удалось полностью взять под контроль взаимодействие электронов.

Более чем доходчиво суть холодных атомов раскрывает Алексей Акимов в ролике выше.

Дабы изменить необходимый параметр — динамический структурный фактор S(q, ω) колебаний плотности («заряда») — была использована спектроскопия Брэгга. В данном исследовании была создана модель Ферми-газа из фирмионного 6Li, поскольку его отталкивающие s-волновые взаимодействия легко поддаются манипуляциям.

Во-первых, атомы были «пойманы» в оптическую ловушку, состоящую из трех взаимно ортогональных инфракрасных лазерных лучей, каждый из которых прошел через ретрорефлектор*, при этом поляризация каждого отраженного луча была повернута на 90° дабы образовать ловушку без решетки. Исследователи не отрицают, что подобный метод измерений уже применялся ранее, однако их метод имеет ряд важных особенностей.

Ретрорефлектор* — устройство отражения луча обратно к его источнику с минимальным рассеиванием.

Пример ретрорефлектора

После этого было измерено число атомов — 1.4х105, а также их температура — 0.05 TF. В данном конкретном случае TF это температура Ферми каждого спинового состояния при учете, что нет никаких взаимодействий.

Далее глубина ловушки была увеличена, а поляризация отраженных лучей повернута таким образом, чтобы сформировать трехмерную решетку с глубиной VL = 7 Er, где

Er = h2/ (2mλ2) — энергия отдачи;
h — постоянная Планка*;
m — атомная масса
λ = 1,064 нм — длина волны света.

5 Er), производилась коррекция длины рассеяния. Дабы достичь желаемой глубины решетки (2. Для компенсации ограничивающей оболочки инфракрасных лучей был дополнительно применен вдоль каждой оси неотраженный луч 532 нм, который подвергся синей расстройке*.

Настройка лазера на частоту выше резонанса называется синей (blue-detuning). Лазерная расстройка* — настройка луча на частоту, отличную от резонанса квантовой системы.

Впоследствии, компенсирующий луч был постепенно отключен, как и вертикальный инфракрасный луч. Параллельно этому увеличивалась интенсивность двух оставшихся для формирования уже двумерной решетки (15 Еr). За счет этого двумерная решетка создала связку практически изолированных одномерных трубок. Их можно описать с помощью двух параметров: осевое гармоническое колебание — ωz = (2π)1.3 кГц и радиальное гармоническое колебание — ω⊥= (2π)198 кГц.

1х105. Проведение данных манипуляций привело к уменьшению общего числа атомов в проводимом опыте до N = 1.

Лучи проходят под углом θ относительно друг друга и пересекают атомы симметрично по отношению к линии, перпендикулярной оси трубки (z). В спектроскопии Брэгга задействовано два лазерных луча с векторами k1 и k2, а также разностью частот ω. Эти два луча приводят к стимулированному двухфотонному переходу, который провоцирует «наложение» основного состояния квантовой системы на частотное возбуждение ω и z-компонент импульса q = |k1 − k2| = 2k sin(θ/2), где k = |k1| = |k2|.

5°, что приводит к q/kF ≃ 0. Угол между лучами был установлен θ/2 ~ 4. 2 для центральной трубки с числом атомов Nm = 60.

Об этом чуть позднее. Как уже стало ясно, угол между лучами лазера определяет показатель q, который должен быть ниже Ферми-импульса.


Изображение №1

Важный нюанс, поскольку за счет этого упрощается анализ и уменьшается импульсно-временное уширение. Брэгговские лучи работают в течение 300 микросекунд, что меньше осевого периода примерно в 2 раза, но больше в сравнении с ω-1.

Спустя 150 микросекунд с помощью фазово-контрастной микроскопии получаются изображения. Как только на испытуемый образец воздействует Брэгговский луч, отключаются лучи оптической ловушки. Эксперимент повторяется, но уже без воздействия Брэгговских лучей, для получения «эталонного» изображения.

На с — разница между ними. На изображении а и b показана столбцовая плотность экспериментального варианта и «эталонного», соответственно. d — график соотношения всех трех предыдущих показателей: а, b и с.

В таком режиме частота стимулированных Брэгговских переходов квадратично зависит от интенсивности лазерного излучения. Исследователи указывают на то, что Брэгговский сигнал находился в режиме линейного отклика за счет изменений интенсивности его луча, вызванных изменением продолжительности воздействия.


Изображение №2

Как видно из графика выше, при интенсивности излучения менее 55 мВт/см2 передача импульса находится в режиме линейного отклика во всем диапазоне силы взаимодействия, доступном в эксперименте.


Изображение №3

На графике выше представлено соотношение Брэгговского сигнала и частоты, где каждая точка соответствует 20-30 экспериментальным попыткам для каждого значения ω и константного q.


Изображение №4

При увеличении силы взаимодействия до 400a0, увеличивается и значение частоты. На графике выше продемонстрированы результаты измерения значения ω. При дальнейшем увеличении, свыше 400, наблюдался нагрев и потеря атомов, что скорее всего связано с трехкомпонентной рекомбинацией из-за нестабильной верхней ветви при переходе из трехмерной решетки в двумерную.

В таком расчете единственный параметр, который поддается манипуляциям, это масштабирование возбуждения. Для проведения дальнейших измерений было решено рассчитать структурный фактор при температуре 200 нК и сравнить данные результаты с предыдущими в эксперименте. А вот пунктирной линией показаны теоретические результаты. Пиковые показатели возбуждения показаны на графике 4 в виде красных точек. Данные результаты являются первым доказательством опытной демонстрации изменений скорости коллективного возбуждения в одномерном Ферми-газе в ответ на взаимодействие. Очевидно, что экспериментальные результаты теоретические практически совпадают.

Для ознакомления с подробностями сего исследования настоятельно рекомендую заглянуть сюда (доклад ученых).

Эпилог

Этот эксперимент смог на практике подтвердить правдивость теории Томонага — Латтинжера. Ученым удалось успешно провести измерения динамической реакции внутри одномерной двухкомпонентной фермиональной системы посредством применения Брэгговской спектроскопии.

Ученые уверены, что способность манипулировать силой взаимодействия посредством резонанса Фешбаха откроет двери для будущих исследований, которые смогут перейти границы, описанные в теории Томонаги — Латтинжера.

Однако желание познать что-то новое, как и важность чего-то нового для развития техносферы Земли несоизмеримо велика. Сей труд крайне сложно назвать легким, ибо он сопряжен со множеством проблем в проведении эксперимента и в самих измерениях его результатов. Долгие века мы пытаемся его понять, упростить и подчинить, но с каждым новым открытием появляется куча новых вопросов, усложняющих то, что мы якобы упростили. Ознакамливаясь с подобными исследованиями, понимаешь насколько сложен мир, нас окружающий.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть