A tudósoknak először sikerült megfigyelni a Pauli kristályokat
2020 / 05 / 31 / justin.viktor
A tudósoknak először sikerült megfigyelni a Pauli kristályokat
Egyre gyorsuló tempóban zajlik az anyag alapvető titkainak, szerkezetének, működésének feltárása a fizika, a kémia, és a belőlük eredő tudományterületek virágkorukat élik. Szinte minden hétre jut egy első alkalommal, egy először a világon. Mindemellett sejtések és jóslatok igazolódnak, vagy kerülnek a süllyesztőbe.

Kvantummechanika

A Pauli-féle kizárási elv a kvantummechanika egyik törvénye. Azt sugallja, hogy két azonos fermion (félegész spinű részecske) nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot egy időben, nem lehet ugyanaz a kvantumszáma. Eközben az elektronok keringési tartományainak eltérőnek kell lenniük az atommag körül, és az elv kiterjesztése magyarázza meg tulajdonképpen, hogy miért van az atomoknak térfogata. Az elvet Wolfgang Pauli osztrák fizikus fogalmazta meg 1925- ben az elektronok vonatkozásában, majd később kiterjesztette az összes fermionra 1940 -es spin-statisztikai tételével.


A kísérlet elrendezésének vázlata. Az atomok csapdában vannak egy őket vonzó optikai rács egyetlen rétegében, szorosan fókuszált optikai csipesszel (a, felül). A gyakorlatilag kétdimenziós harmonikus záródás degenerációja nem-triviális héjszerkezet kialakulásához vezet (a, alsó). Az N = 6 zárt héjú rendszer bináris képe egyetlen fotonszámláló EMCCD kamerával, “repülési idő mérést” követően (b). Az atom momentumot úgy nyerjük ki, hogy az alacsony-áteresztőképességre szűrt képben a helyi maximumokat keressük (c). Az összes momentumot a harmonikus oszcillátor zárt terének természetes egységeiben ábrázoljuk. A részecskék közötti korreláció feltárásához kivonjuk a tömegmozgás központját (1), és egy közös szimmetriatengelyre (2) forgatjuk. (Kép: arXiv 2005.03929 cond-mat.quant-gas)

Önszabályozó fermionok

A fermionok önszabályozásának ez a megértése különböző felfedezéseket eredményezett, például, hogy meghatározott geometriájú kristályokat képezhetnek, melyek neve Pauli kristály. Amikor ezt a megfigyelést először rögzítették, feltételezték azt is, hogy az ilyen kristályképződéshez bizonyos körülmények fennállása szükséges.

Repülési idő mérése

A repülési idő mérés (Time of flight - ToF) annak az időnek a mérése, amelyet egy tárgy, részecske vagy hullám (legyen szó akusztikus, elektromágneses stb.) igényel ahhoz, hogy adottc távolságot megtegyen egy közegen keresztül. Ezt az információt ezután felhasználhatjuk egy időstandard (például egy atomkút) meghatározására, a sebesség vagy az út hosszának mérésére, vagy a részecske vagy a közeg tulajdonságainak (például összetétel vagy áramlási sebesség) megismerésére. A mozgó tárgyat közvetlenül (pl. egy iondetektoron keresztül a tömegspektrometriában) vagy közvetett módon (például egy tárgyról szétszóródó fény segítségével, a lézer-doppler sebességméréssel) lehet detektálni.

Egy új kutatás során a tudósok ennek megfelelően alakították a körülményeket, és abban a szellemben készítették el a berendezést, hogy lehetővé tegye számukra a Pauli kristályok első alkalommal történő megfigyelését. 

A legismertebb fermionok az elektronok, de ezeknek erős negatív töltésük van, amely felülírja a kizárási elv finomabb önszervezési hatását. Néhány atom azonban kompozit fermion és elektromos szempontból semleges. Ezek egyike a lítium-6.

Atomok csapdában

A Heidelbergi Egyetem tudósai a kísérlet során egy lézer-rendszer segítségével csapdába ejtettek egy felhőnyi lithium-6 atomot, melyeket szuperhidegre hűtöttek, hogy alacsonyabb energiaállapotba kerüljenek, és arra kényszerítették őket, hogy betartsák a Pauli-féle kizárás elvét, egy egy atomnyi vastagságú lapos rétegben. 

Ezután olyan megoldást alkalmaztak, amely lehetővé tette számukra, hogy rögzítsék az atomok képét, - és csak azoknak az atomoknak - amelyek egy adott állapotban voltak. A kamerával 20 000 képet készítettek, és ezek közül kiválogatták azokat, amelyeken a megfelelő atomszám szerepelt, jelezve, hogy betartják a Pauli-féle kizárási elvet.

Ezután a csapat előkészítette a többi képet, hogy kinyerjék belőlük az összegzett impulzus hatását az atomfelhőben, megfelelő módon elforgatva, majd ezrével egymásra helyezve őket, felfedve az egyes molekulák impulzuszavarát, és ekkor elkezdtek előtűnni a kristályok a fényképeken, hasonlóan a hipotézis elvárásaihoz.

A kristályszerkezet annak alapján vált láthatóvá, hogy a részecskék elkerülték egymást (lásd a képet). "Pauli elve miatt elkerülik egymást, és pontosan leképezik azokat a geometriai struktúrákat, amelyeket az előre jelzett és amiket Pauli kristályoknak hívunk" - mondta Marvin Holten a Heidelbergi Egyetemről.

A tudósok hozzátették, hogy módszerük felhasználható a fermion-alapú gázokkal azonosított különféle hatások megértésére is. A kutatás és a kísérlet Marvin Holten, és Philipp M. Preiss kutatók vezetésével zajlott.

(Forrás: Axriv Képek: Heidelberg Uni, Unsplash)

Ha tetszett ez a cikk, kövess minket a Facebookon is!


Ezek is érdekelhetnek

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.