Pierwsza w historii realizacja stanu Laughlina

Ultrazimne atomy manipulowane przez laser osiągnęły stan Laughlina, dziwny płyn kwantowy, w którym każdy atom tańczy wokół swoich kongenerów. Źródło: Nathan Goldman

Odkrycie kwantowych efektów halowych w latach 80. XX wieku ujawniło nowe formy materii zwane „stanami Laughlina”, nazwane na cześć amerykańskiego laureata Nagrody Nobla, który z powodzeniem rozróżnił je teoretycznie.

Te dziwne stany pojawiają się wyjątkowo w materiałach 2D, w ekstremalnie niskich temperaturach i pod wpływem niezwykle silnego pola magnetycznego. W przypadku Laughlina elektrony tworzą niezwykłą ciecz, w której każdy elektron tańczy wokół swoich kongenerów, unikając ich w jak największym stopniu.

Wzbudzenie takiego płynu kwantowego generuje stany zbiorowe, które fizycy kojarzą z cząstkami pozornymi, których właściwości radykalnie różnią się od elektronów: te „jony” przenoszą ładunek ułamkowy (część ładunku elementarnego) i zaskakująco wymykają się standardowej klasyfikacji cząstek pod względem bozony lub fermiony.

Przez wiele lat fizycy badali możliwość realizacji stanów Laughlina w innych typach układów niż te, które zapewniają materiały w stanie stałym, w świetle dalszej analizy ich specjalnych właściwości. Jednak wymagane komponenty (dwuwymiarowy charakter układu, intensywne pole magnetyczne i silne korelacje międzycząsteczkowe) okazały się bardzo trudne.

Pismo NaturaMiędzynarodowy zespół skupiony wokół grupy eksperymentalnej Marcusa Greniera z Harvardu zgłosił pierwszą realizację stanu Laughlina przy użyciu bardzo zimnych neutralnych atomów manipulowanych laserami.

Eksperyment polega na uwięzieniu kilku atomów w pudełku optycznym i zastosowaniu składników potrzebnych do stworzenia tego dziwnego stanu: silnego syntetycznego pola magnetycznego i silnych, odpychających oddziaływań między atomami.

W swoim artykule autorzy ujawniają definiujące właściwości stanu Laughlina, obrazując atomy jeden po drugim za pomocą potężnego kwantowego mikroskopu gazowego. Pokazują dziwny „taniec” cząstek, które krążą wokół siebie, a także częściową naturę zrealizowanego atomowego stanu Laughlina.

Ten kamień milowy otwiera drzwi do ogromnego nowego pola do eksploracji stanów Laughlina i ich kuzynów (na przykład tak zwanego stanu Moore-Reada) w symulacjach kwantowych. Możliwość tworzenia, obrazowania i manipulowania dowolnymi klejnotami pod gazowym mikroskopem kwantowym jest szczególnie atrakcyjna w świetle wykorzystania ich unikalnych właściwości w laboratorium.

Odniesienie: „Achieving the Fractional Quantum Hall State with Extremely Cold Atoms” Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman i Marcus Grenier, 21 czerwca 2023 r., dostępny tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4