Physiker bauten das weltweit erste Fermionmikroskop

Der Physikstudent Lawrence Cheyuk, einer der Autoren der Arbeit, baut Laseroptik / SciTech Daily

Physicists am Massachusetts Institute of Technology (MIT) auf und baute das weltweit erste Fermionmikroskop . Experimentell gekühlt mit zwei Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen gehen ⁴⁰ K Kaliumatome auf immer niedrigere Energieniveaus über. In diesem Fall emittieren Fermionen Photonen, die von einem Mikroskop eingefangen werden und ein Bild ergeben.

Alle uns bekannte Materie besteht aus Bosonen und Fermionen. Fermionen bilden Materie - dies sind Quarks, die Protonen und Neutronen bilden, die selbst Fermionen sind, sowie Leptonen (Elektronen, Myonen, Tau-Leptonen, Neutrinos). Bosonen sind Wechselwirkungsträger (Photonen, Gluonen, W- und Z-Bosonen und dasselbe Higgs-Boson).

An der Harvard University gelang es Wissenschaftlern 2009, ein Bosonenmikroskop zu bauen, und 2010 wurde ihre Arbeit am Institut für Quantenoptik wiederholt. Max Planck. Bisher war es jedoch nicht möglich, Fermionen unter dem Mikroskop zu sehen. Das Prinzip von Paulis Verbot störtewonach in einem geschlossenen Quantensystem zwei oder mehr identische Fermionen (Teilchen mit einem halbzahligen Spin) nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand sein können. Versuche, die Fermionswolke abzukühlen, führten daher dazu, dass sie alle auf unterschiedlichen Energieniveaus aufgereiht waren und es unmöglich war, die Partikel mit der höchsten Energie weiter abzukühlen.



In einem im Mai 2015 veröffentlichten Artikel spricht ein Forscherteam über ihre Leistungen. Martin Zwirline, Teamleiter, beschreibt das Experiment wie folgt: „Wir wollten erreichen, was die vorherigen Gruppen mit den Bosonen konnten. Es stellte sich jedoch heraus, dass es schwieriger ist, mit Fermionen umzugehen - sie sind nicht so einfach zu kühlen. "

Mit zwei Lasern schufen die Wissenschaftler ein Maschennetzwerk, in dem Fermionen wie in "Energiequellen" eingefangen und in Zellen gehalten wurden. Eine allmähliche Abkühlung führte dazu, dass das Fermiongas eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt erreichte und einzelne Fermionen für eine lange Zeit in den Zellen des Netzwerks gehalten werden konnten. Die dabei emittierten Photonen wurden mit einem Mikroskop eingefangen.

„Das bedeutet, dass ich weiß, wo sich die Fermionen befinden, und ich kann sie relativ gesehen überall mit einer Pinzette bewegen und daraus ein beliebiges Muster machen“, sagt Zwirline. Da sich Fermionen in isolierten Zellen befinden, interagieren sie nicht miteinander und das Pauli-Prinzip verhindert nicht, dass sie richtig abkühlen.

Wie die Forscher erklären, kann ihre Arbeit dazu beitragen, die Erzeugung von Hochtemperatursupraleitern weiter voranzutreiben, da ein solches Mikroskop die Untersuchung von Elektronen, die auch Fermionen sind, auf ein neues Niveau bringen kann. Darüber hinaus steht die Fähigkeit, einzelne Fermionen zu halten und zu bewegen, in direktem Zusammenhang mit den Technologien zur Erstellung von Quantencomputern.