Konstnärlig återgivning av experimentet utfört av forskarna. I framtiden, de planerar att utöka sina avbildnings- och analysmetoder till interagerande system, att studera parning och superfluiditet i starkt korrelerade mesoskopiska Fermi-system. Medverkande:Jonas Ahlstedt, Lund Bioimaging Center (LIBC).
Pauli-uteslutningsprincipen är en kvantmekaniklag införd av den österrikiske fysikern Wolfgang Pauli, som ger värdefull insikt om materiens struktur. Mer specifikt, Pauli-principen säger att två eller flera identiska fermioner inte samtidigt kan uppta samma kvanttillstånd i ett kvantsystem.
Forskare vid Heidelbergs universitets fysikinstitut har nyligen observerat denna princip direkt i ett kontinuerligt system bestående av upp till sex partiklar. Deras experiment, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , skulle kunna bana väg för en bättre förståelse av starkt interagerande system som består av fermioner.
"Visionen att studera komplexa många kroppssystem från små, bra förstått, byggstenar har en lång historia i vår grupp, " Luca Bayha och Marvin Holten, två av forskarna som genomförde den senaste studien, berättade för Phys.org via e-post. "Detta började med experiment där vi bildade ett fermi hav en atom i taget, som kulminerade i en av våra senaste studier där vi kunde observera tecken på en kvantfasövergång i system med så få som sex atomer."
Under de senaste åren har Bayha, Holten och deras kollegor lade mycket kraft på att utveckla en ny teknik som gör att de kan avbilda enstaka atomer i mesoskopiska system, för att undersöka dem närmare. I deras senaste studie, de tillämpade denna teknik på kontinuerliga system med upp till sex icke-interagerande fermioniska atomer för första gången.
Pauli-kristallen visar i vilken konfiguration tre fermioniska atomer placerar sig i en tvådimensionell harmonisk fälla oftast. De starka korrelationerna mellan de relativa positionerna för de icke-interagerande partiklarna är resultatet av Paulis uteslutningsprincip. Bilden skapades genom att analysera flera tusen experimentella bilder med enatomsupplösning. Medverkande:Selim Jochim Group, Universitetet i Heidelberg.
"Huvudsyftet med vår studie var att observera högre ordnings korrelationer i ett kontinuerligt system, Bayha och Holten sa. "Det icke-interagerande systemet är en idealisk utgångspunkt för att jämföra vårt experiment."
2016, en forskargrupp ledd av Mariusz Gajda föreslog först att korrelationer av högre ordning skulle kunna visualiseras som "Pauli-kristaller". Pauli-kristaller är vackra mönster som kan dyka upp i ett moln av fångade och icke-interagerande fermioner.
Än så länge, Bayha, Holten och deras kollegor observerade dessa mönster i system som innehåller upp till sex partiklar. Inom en snar framtid, dock, de hoppas kunna genomföra ytterligare experiment med fler partiklar och starka interaktioner. Detta skulle tillåta dem att ytterligare undersöka parning och superfluiditet i 2D-system.
"Den direkta observationen av Paulis princip i kontinuerliga system ställer ganska utmanande krav på experimentet, Bayha och Holten förklarade. "Systemet måste vara tillräckligt kallt och kontrollerat på mycket låga absoluta energiskalor. Bara då, de individuella partiklarnas vågfunktioner överlappar varandra och deras fermioniska natur blir viktig."
Pauli-kristallen visar i vilken konfiguration sex fermioniska atomer placerar sig i en tvådimensionell harmonisk fälla oftast. De starka korrelationerna mellan de relativa positionerna för de icke-interagerande partiklarna är resultatet av Paulis uteslutningsprincip. Bilden skapades genom att analysera flera tusen experimentella bilder med en atoms upplösning. Medverkande:Selim Jochim Group, Universitetet i Heidelberg.
För att säkerställa att de direkt kunde följa Pauli-principen i kontinuerliga system, forskarna fulländade en kylningsteknik som de var pionjärer för för några år sedan. Denna teknik möjliggör avlägsnande av alla "heta" atomer med högre energier från ett system på ett deterministiskt sätt. Genom att ta bort dessa atomer, forskarna kunde förbereda systemets mark (dvs. lägsta energi) tillstånd med höga nivåer av trohet.
Efter att de kylt ner ett system tillräckligt, Bayha, Holten och deras kollegor behövde samla observationer med en enda atomupplösning och hög detekteringstrohet, att följa Pauli-principen. De uppnådde detta genom att låta molnet av atomer expandera under en viss tid innan de tog en bild.
Rendering av experimentuppställningen (ej skalenlig). Atomerna är fångade på en enda plats av ett attraktivt ljusark ('pannkaka') överlagrat med en tätt fokuserad optisk pincett. Systemet avbildas med en atomupplösning genom ett högupplöst objektiv (överst). Medverkande:Selim Jochim Group, Universitetet i Heidelberg.
"Metoden vi använde förstorar effektivt systemet med en faktor 50, Bayha och Holten sa. "Vi lyser sedan upp molnet med två motsatta laserstrålar och samlar in spridda fotoner på en extremt känslig kamera som upptäcker nästan varje enskild foton som träffar chipet. Tillsammans tillåter dessa metoder oss att lösa enstaka atomer med detektionssannolikheter i storleksordningen 99 %."
Bild på forskarnas experimentupplägg. Huvudvakuumkammaren med formen av en oktagon är placerad i mitten av bilden. Här, en optisk pincett överlappas med en lätt arkfälla ("pannkaka") för att skapa en tvådimensionell fångstgeometri för atomerna. Medverkande:Selim Jochim Group, Universitetet i Heidelberg.
Observationerna som samlats in av detta team av forskare visar att korrelationen mellan enskilda partiklar också kan observeras i kontinuumsystem, där vågfunktionerna hos enskilda partiklar överlappar varandra. Än så länge, Bayha, Holten och deras kollegor använde tekniken de utvecklade för att observera Pauli-kristaller, som är vackra visualiseringar av Pauli-principen. Dock, samma teknik kan snart också användas för att utforska andra starkt korrelerade mångakroppssystem.
Enskild bild av sex fermioniska atomer inneslutna i en tvådimensionell harmonisk oscillatorfälla. Bilden har tagits efter en utbyggnad av systemet för att öka den effektiva upplösningen. Medverkande:Selim Jochim Group, Universitetet i Heidelberg.
"Vi planerar nu att utöka bildbehandlingsmetoden till interagerande system, " sa Holten och Bayha. "Här, korrelationerna mellan partiklarna uppstår inte på grund av Paulis princip utan på grund av interaktioner. Detta kommer att tillåta oss att undersöka hur korrelationer i interagerande system uppstår på mikroskopisk nivå och ge nya insikter om starkt interagerande fermionisk materia och supervätskor."
© 2021 Science X Network
