Учёные-физики из Массачусетского технологического института (MIT) построили первый в мире фермионный микроскоп. Охлаждаемые в эксперименте с помощью двух лазеров с различными длинами волн, атомы калия ⁴⁰K переходят на всё более низкие энергетические уровни. При этом фермионы испускают фотоны, которые улавливаются микроскопом и дают картинку.

Студент-физик Лоуренс Чеюк, один из авторов работы, настраивает лазерную оптику / SciTech Daily

Вся известная нам материя состоит из бозонов и фермионов. Фермионы формируют материю – это кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, которые сами по себе являются фермионами, а также лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино). Бозоны – это переносчики взаимодействия (фотоны, глюоны, W и Z-бозоны, и тот самый бозон Хиггса).

В Гарвардском университете учёным удалось построить бозонный микроскоп в 2009 году, а в 2010 году их работу повторили в Институте квантовой оптики им. Макса Планка. А вот увидеть в микроскоп фермионы до сей поры не удавалось. Мешал принцип запрета Паули, согласно которому в замкнутой квантовой системе два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Потому попытки охладить облако фермионов приводили к тому, что все они выстраивались на разных энергетических уровнях, и обладавшие наибольшей энергией частицы охладить далее было невозможно.

В работе, опубликованной в мае 2015 года, команда исследователей рассказывает о своём достижении. Мартин Цвирляйн, руководитель команды, описывает эксперимент: «Мы хотели достичь того же, что предыдущие группы смогли сделать с бозонами. Но оказалось, что с фермионами это сделать потруднее – их не так-то легко охладить».

Пользуясь двумя лазерами, учёные создали ячеистую сеть, в ячейках которой, как в «энергетических ямах» были пойманы и удерживались фермионы. Постепенное охлаждение привело к тому, что фермионный газ достиг температуры близкой к абсолютному нулю, и отдельные фермионы можно было долго удерживать в ячейках сети. Испускаемые при этом фотоны улавливались микроскопом.

«Это значит, что я знаю, где находятся фермионы, и могу их, условно говоря, пинцетом передвинуть куда угодно, и сделать из них любой узор»,– говорит Цвирляйн. Благодаря нахождению в изолированных ячейках, фермионы не взаимодействуют друг с другом и принцип Паули не мешает им как следует охладиться.

Как поясняют исследователи, их работа может помочь в дальнейшем продвижении на пути к созданию высокотемпературных сверхпроводников, поскольку такой микроскоп может выдвинуть на новый уровень изучение электронов, которые тоже являются фермионами. Кроме этого, возможность удерживать и передвигать отдельные фермионы напрямую связана с технологиями по созданию квантовых компьютеров.