De nombreuses technologies ont beaucoup changé depuis leur invention. Leur amélioration a été alimentée par diverses études et découvertes, chacune ayant trouvé de nouvelles façons de l'implémenter, qu'il s'agisse de matériaux, de modèles de systèmes ou de nouveaux algorithmes. Visuellement, l'un des exemples les plus frappants sont les appareils informatiques. Autrefois, ils occupaient des pièces entières et pesaient plusieurs tonnes, et maintenant chacun de nous a un téléphone portable, dont la capacité est plusieurs fois supérieure à celle des gros ordinateurs. Mais le processus de minimisation des appareils et de leurs composants est loin d'être achevé, car tant qu'il y aura beaucoup à réduire, les scientifiques inventeront de nouvelles façons d'y parvenir. Aujourd'hui, nous allons parler d'une étude qui pourrait bien affecter considérablement le processus de minimisation, ou plutôt, de la confirmation expérimentale de la théorie des électrons unidimensionnels, qui a déjà près de 56 ans. Allons-y.
Contexte de l'étudeEn 1950, le physicien japonais Shinichiro Tomonaga proposait à l'époque un nouveau modèle théorique qui décrit l'interaction des électrons dans un conducteur unidimensionnel. De plus, en 1963, Joaquin Luttinger a apporté quelques corrections à la théorie. Le fait est qu'en théorie, sous certaines restrictions, les interactions de second ordre entre les électrons peuvent être décrites comme des interactions bosoniques. Luttinger a changé la théorie, compte tenu des ondes de Bloch. Cela a montré que les restrictions introduites par Tomonaga ne sont pas nécessaires pour implémenter le modèle.
Sinichiro Tomonaga (1953)À la base, ce modèle est une description du comportement des électrons à l'aide de deux quasiparticules. Ils diffèrent les uns des autres en ce que le premier a un spin et une charge zéro, comme un électron, et le second a une charge de 0, mais le spin est 1. De plus, les quasiparticules se déplacent à des vitesses différentes. Il est également avancé en théorie qu'agir sur une seule charge ou rotation d'un électron peut provoquer une réaction de tous les électrons.
Il est extrêmement difficile de tester empiriquement cette théorie, car les scientifiques n'ont pas encore été en mesure de prendre complètement le contrôle de l'interaction des électrons. Cependant, dans cette étude, ils ont trouvé un moyen de sortir de leur situation difficile en utilisant des atomes froids.
Plus que lucidement, l'essence des atomes froids est révélée par Alexey Akimov dans la vidéo ci-dessus.Dans cette étude, un modèle de gaz de Fermi a été créé à partir de fermionique
6 Li, car ses interactions répulsives avec les ondes s sont facilement manipulables. Afin de changer le paramètre nécessaire - le facteur structurel dynamique
S (q, ω) des oscillations de densité («charge») - la spectroscopie de Bragg a été utilisée.
Les chercheurs ne nient pas qu'une méthode de mesure similaire ait déjà été utilisée auparavant, mais leur méthode présente un certain nombre de caractéristiques importantes. Tout d'abord, les atomes ont été «piégés» dans un piège optique, composé de trois faisceaux laser infrarouges mutuellement orthogonaux, chacun passant par un
rétroréflecteur * , tandis que la polarisation de chaque faisceau réfléchi a été tournée de 90 ° afin de former un piège sans réseau.
Rétroréflecteur * - un appareil pour renvoyer le faisceau vers sa source avec une diffusion minimale.
Exemple de rétroréflecteur
Après cela, le nombre d'atomes a été mesuré - 1,4 × 10
5 , ainsi que leur température - 0,05 T
F. Dans ce cas particulier, T
F est la température de Fermi de chaque état de spin, en tenant compte qu'il n'y a pas d'interactions.
De plus, la profondeur du piège a été augmentée et la polarisation des rayons réfléchis a été tournée de manière à former un réseau tridimensionnel avec une profondeur de VL = 7 E
r , où
Er = h
2 / (2mλ
2 ) est l'énergie de recul;
h est la constante de Planck *;
m est la masse atomique
λ = 1 064 nm est la longueur d'onde de la lumière.
Afin d'atteindre la profondeur de réseau souhaitée (2,5 E
r ), la longueur de diffusion a été ajustée. Pour compenser la couche limite des rayons infrarouges, un faisceau supplémentaire non réfléchi de 532 nm a été appliqué le long de chaque axe, qui a subi
un désaccord bleu * .
Désaccord laser * - réglage du faisceau à une fréquence différente de la résonance d'un système quantique. Le réglage du laser sur une fréquence supérieure à la résonance est appelé désaccord du bleu .
Par la suite, le faisceau de compensation a été progressivement désactivé, tout comme le faisceau infrarouge vertical. Parallèlement à cela, l'intensité des deux restants pour la formation d'un réseau déjà bidimensionnel (15
r ) a augmenté. Pour cette raison, le réseau bidimensionnel a créé un tas de tubes unidimensionnels pratiquement isolés. Ils peuvent être décrits en utilisant deux paramètres: vibration harmonique axiale - ωz = (2π) 1,3 kHz et vibration harmonique radiale - ω⊥ = (2π) 198 kHz.
La réalisation de ces manipulations a conduit à une diminution du nombre total d'atomes dans l'expérience à N = 1,1 × 10
5 .
La spectroscopie de Bragg implique deux faisceaux laser avec les vecteurs k
1 et k
2 , ainsi qu'une différence de fréquence ω. Les rayons passent sous un angle θ les uns par rapport aux autres et coupent symétriquement les atomes par rapport à la ligne perpendiculaire à l'axe du tube (z). Ces deux rayons conduisent à une transition stimulée à deux photons, ce qui provoque la «superposition» de l'état fondamental du système quantique sur l'excitation fréquentielle de ω et la composante z de l'impulsion q = | k
1 - k
2 | = 2k sin (θ / 2), où k = | k
1 | = | k
2 |.
L'angle entre les rayons a été fixé à θ / 2 ～ 4,5 °, ce qui conduit à q / k
F ≃ 0,2 pour le tube central avec le nombre d'atomes N
m = 60.
Comme il est déjà devenu clair, l'angle entre les faisceaux laser détermine l'exposant q, qui devrait être inférieur au moment de Fermi. Plus d'informations à ce sujet plus tard.
Image n ° 1Les rayons de Bragg fonctionnent pendant 300 microsecondes, soit environ 2 fois moins que la période axiale, mais davantage par rapport à ω
-1 . Une nuance importante, car cela simplifie l'analyse et réduit l'élargissement du temps d'impulsion.
Dès que le faisceau de Bragg agit sur l'échantillon à tester, les rayons du piège optique sont coupés. Après 150 microsecondes en utilisant des images de microscopie à contraste de phase sont obtenues. L'expérience est répétée, mais sans l'influence des rayons de Bragg, pour obtenir une image "de référence".
Les images
a et
b montrent respectivement la densité de colonne de la version expérimentale et la «référence». Sur - une différence entre eux.
d est un graphique du rapport des trois indicateurs précédents: a, b et c.
Les chercheurs soulignent que le signal de Bragg était dans le mode de réponse linéaire en raison de changements dans l'intensité de son faisceau causés par des changements dans la durée de l'exposition. Dans ce mode, la fréquence des transitions de Bragg stimulées dépend quadratique de l'intensité du rayonnement laser.
Image n ° 2Comme le montre le graphique ci-dessus, lorsque l'intensité du rayonnement est inférieure à 55 mW / cm
2 , le transfert d'impulsions est en mode de réponse linéaire dans toute la plage de la force d'interaction disponible dans l'expérience.
Image n ° 3Le graphique ci-dessus montre le rapport du signal de Bragg à la fréquence, où chaque point correspond à 20-30 tentatives expérimentales pour chaque valeur de ω et constante q.
Image n ° 4Le graphique ci-dessus montre les résultats de la mesure de la valeur de ω. Avec une augmentation de la force d'interaction à 400a
0 , la valeur de fréquence augmente également. Avec une augmentation supplémentaire de plus de 400, un échauffement et une perte d'atomes ont été observés, ce qui est très probablement dû à une recombinaison à trois composants due à la branche supérieure instable pendant la transition d'un réseau tridimensionnel à un réseau bidimensionnel.
Pour d'autres mesures, il a été décidé de calculer le facteur structurel à une température de 200 nK et de comparer ces résultats avec les précédents de l'expérience. Dans ce calcul, le seul paramètre pouvant être manipulé est la mise à l'échelle de l'excitation. Les valeurs d'excitation maximales sont représentées sur le graphique 4 sous forme de points rouges. Mais la ligne pointillée montre les résultats théoriques. De toute évidence, les résultats théoriques expérimentaux coïncident pratiquement. Ces résultats sont la première preuve d'une démonstration expérimentale des changements dans le taux d'excitation collective dans un gaz de Fermi unidimensionnel en réponse à une interaction.
Pour vous familiariser avec les détails de cette étude, je vous recommande fortement de regarder
ici (rapport de scientifiques) .
ÉpilogueLes scientifiques ont pu mesurer avec succès la réponse dynamique à l'intérieur d'un système fermionique bidimensionnel unidimensionnel en utilisant la spectroscopie de Bragg. Cette expérience a pu en pratique confirmer la vérité de la théorie de Tomonaga-Luttinger.
Les scientifiques sont convaincus que la capacité de manipuler la force d'interaction à travers la résonance de Feshbach ouvrira la porte à de futures recherches qui pourraient franchir les frontières décrites dans la théorie de Tomonaga-Luttinger.
Ce travail est extrêmement difficile à qualifier de facile, car il implique de nombreux problèmes dans l'expérience et dans la mesure de ses résultats. Cependant, le désir d'apprendre quelque chose de nouveau, ainsi que l'importance de quelque chose de nouveau pour le développement de la technosphère de la Terre est incommensurablement grand. En vous familiarisant avec de telles études, vous comprenez à quel point le monde qui nous entoure est compliqué. Pendant de nombreux siècles, nous avons essayé de le comprendre, de le simplifier et de le subordonner, mais à chaque nouvelle découverte, un tas de nouvelles questions apparaissent qui compliquent ce que nous sommes censés simplifier.
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