Фізики MIT відкрили унікальний квантовий стан світла, існування якого вважалося неможливим

Фізики Массачусетського технологічного інституту (MIT) вперше в історії отримали зображення окремих атомів, що вільно рухаються та взаємодіють у просторі. Це відкриття дозволяє напряму спостерігати квантові явища, які раніше існували лише в теоретичних розрахунках, і може докорінно змінити підходи до дослідження матерії на мікроскопічному рівні.

Метод, який назвали «мікроскопією з атомною роздільністю», базується на короткочасному заморожуванні атомів у сітці, створеній з лазерного світла. Протягом частки секунди ця сітка зупиняє рух атомів, після чого інша лазерна система освітлює їх і створює зображення. Після цього атоми знову отримують свободу руху.

У дослідженні використовували два типи газів: натрієвий, де атоми поводяться як бозони (можуть перебувати в однаковому квантовому стані та формувати єдину квантову хвилю), і літієвий — з фермінів, де кожен атом займає унікальний стан. В умовах сильної взаємодії ферміони утворювали пари, подібно до електронів у надпровідниках.

На отриманих знімках видно, як натрій утворює квантову хвилю, тоді як літій спочатку поводиться як ізольовані частинки, а потім формує пари. Це вперше, коли подібні ефекти були зафіксовані візуально. За словами професора Річарда Флетчера, такі фотографії підтверджують існування об'єктів, які до цього були відомі лише в математичних моделях, і нагадують, що фізика — це про реальні явища.

Наступним етапом досліджень стане вивчення менш зрозумілих квантових ефектів, зокрема пов’язаних із фізикою квантового ефекту Холла. Команда MIT планує застосувати аналогічні методики для безпосереднього спостереження за поведінкою частинок у ще більш складних умовах.

Роботу опубліковано в журналі Physical Review Letters, а сама методика вже порівнюється з революційними кроками в історії експериментальної фізики.