Les physiciens ont construit le premier microscope à fermion au monde

Le physicien Lawrence Cheyuk, l'un des auteurs de l'ouvrage, installe l'optique laser / SciTech Daily

Physicists au Massachusetts Institute of Technology (MIT) a construit le premier microscope à fermion au monde . Refroidi expérimentalement à l'aide de deux lasers de longueurs d'onde différentes, les atomes de potassium ⁴⁰ K passent à des niveaux d'énergie toujours plus bas. Dans ce cas, les fermions émettent des photons, qui sont capturés par un microscope et donnent une image.

Tout ce que nous connaissons est constitué de bosons et de fermions. Les fermions forment de la matière - ce sont des quarks qui constituent des protons et des neutrons, qui sont eux-mêmes des fermions, ainsi que des leptons (électrons, muons, leptons tau, neutrinos). Les bosons sont porteurs d'interaction (photons, gluons, bosons W et Z, et ce même boson de Higgs).

À l'Université de Harvard, les scientifiques ont réussi à construire un microscope boson en 2009, et en 2010, leurs travaux ont été répétés à l'Institut d'optique quantique. Max Planck. Mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de voir des fermions au microscope. Le principe de l’interdiction de Pauli est intervenuselon lequel dans un système quantique fermé deux fermions identiques ou plus (particules avec un spin demi-entier) ne peuvent pas être simultanément dans le même état quantique. Par conséquent, les tentatives de refroidissement du nuage de fermions ont conduit au fait qu'ils étaient tous alignés à différents niveaux d'énergie, et il était impossible de refroidir davantage les particules avec l'énergie la plus élevée.



Dans un article publié en mai 2015 , une équipe de chercheurs parle de leurs réalisations. Martin Zwirline, chef d'équipe, décrit l'expérience: «Nous voulions réaliser ce que les groupes précédents ont pu faire avec les bosons. Mais il s'est avéré que c'est plus difficile à faire avec les fermions - ils ne sont pas si faciles à refroidir. "

À l'aide de deux lasers, les scientifiques ont créé un réseau maillé dans lequel les fermions étaient capturés et maintenus dans les cellules, comme dans les «puits d'énergie». Un refroidissement progressif a conduit au fait que le gaz de fermion a atteint une température proche du zéro absolu, et des fermions individuels ont pu être maintenus longtemps dans les cellules du réseau. Les photons émis lors de cette opération ont été capturés au microscope.

«Cela signifie que je sais où se trouvent les fermions, et je peux, relativement parlant, les déplacer avec des pincettes n'importe où et en faire n'importe quel motif», explique Zwirline. En raison de leur présence dans des cellules isolées, les fermions n'interagissent pas entre eux et le principe de Pauli ne les empêche pas de se refroidir correctement.

Comme l'expliquent les chercheurs, leurs travaux peuvent aider à progresser vers la création de supraconducteurs à haute température, car un tel microscope peut faire progresser l'étude des électrons, qui sont également des fermions, à un nouveau niveau. De plus, la capacité de tenir et de déplacer des fermions individuels est directement liée aux technologies de création d'ordinateurs quantiques.