Это явление наблюдалось и раньше, но только в электронных системах, например, в квантовых точечных контактах в определенных полупроводниковых структурах. «Мы впервые наблюдали квантование проводимости в нейтральной материи, то есть для незаряженных частиц», — говорит Эсслингер. «Этот эксперимент, безусловно, входит в учебники по квантовой физике».Этот проект фундаментальных исследований, который поддерживается Швейцарским национальным научным фондом (SNF) и Европейским союзом, может иметь значение для проектирования и изготовления электронных устройств следующего поколения, поскольку он позволяет в будущем изучить эффекты, которые в настоящее время не могут быть исследованы с помощью электронных систем.
Охлаждение почти до абсолютного нуляГруппа под руководством Тилмана Эсслингера работает с ультрахолодными атомами. В эксперименте, описанном исследователями в текущем выпуске журнала Nature, они использовали газ, состоящий из атомов лития, при температуре всего 35 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. «Охлаждение является основным направлением нашей работы в лаборатории», — говорит д-р Жан-Филипп Бранту, научный сотрудник SNF Ambizione в Институте квантовой электроники. «99 процентов нашего оборудования, которое мы разработали самостоятельно, служат этой цели».
Охлажденные до таких низких температур, атомы лития ведут себя подобно электронам в твердотельном материале, даже если — в отличие от электронов — атомы не заряжены.Центральными элементами сложной экспериментальной установки являются высоковакуумная стеклянная кювета и два микроскопа сверхвысокого разрешения. Газ литий находится в ячейке между микроскопами в сигарообразном облаке диаметром примерно 300 микрометров.
Луч лазера разделяет это облако на два резервуара, соединенных узким двумерным каналом. Второй лазерный луч проходит через литографически изготовленную маску, а затем через проекционную систему, состоящую из линзы и одного из микроскопов.
Таким образом, шаблон, определенный на маске, уменьшается до размера канала. В результате создается квантовый точечный контакт шириной всего в один микрометр, что можно проверить с помощью другого микроскопа.Микроскопический поток требует стабильной системыСтруктура канала достаточно узкая, поэтому в игру вступают законы квантовой механики.
Это означает, что для атомов, протекающих через канал, проводимость должна изменяться не непрерывно, а ступенчато, размер которых определяется квантом действия Планка, который является фундаментальной константой природы. Это именно то, что наблюдала исследовательская группа.
По словам Брантут, в канале одновременно находятся десять атомов. Чтобы микроскопический поток был виден, канал нужно было держать открытым до тех пор, пока через него не пройдет около 1000 атомов. Это заняло около 1,5 секунд, что для эксперимента такого типа довольно много. «Эксперимент может работать только в том случае, если атомы очень стабильны, то есть очень холодны, и ничего больше не меняется», — объясняет физик.Атомы пересекают экспериментальную установку, как маленькие пули, не сбиваясь с курса из-за столкновений.
Поэтому физики называют это баллистической системой. Электронная промышленность надеется разработать баллистические транзисторы будущего с чрезвычайно низким электрическим сопротивлением.
Эксперименты с нейтральными атомами и лазерным светом могут внести свой вклад в эти разработки, поскольку они позволяют ученым систематически изучать теоретические модели и напрямую сравнивать результаты, что часто невозможно с электронными системами из-за невозможности получения подходящих образцов. «До сих пор мы проводили измерения на основе предсказаний теоретических моделей», — говорит Брантут. «Теперь мы отправляемся на неизведанную территорию».