Физики создают материю из света, чтобы найти квантовые особенности

Эксперименты, имитирующие твердые материалы с помощью световых волн, раскрывают квантовую основу экзотических физических эффектов

Многие, казалось бы, обыденные материалы, такие как нержавеющая сталь холодильников или кварц столешницы, таят в себе удивительную физику. Эти материалы представляют собой кристаллы, что в физике означает, что они состоят из высокоупорядоченных повторяющихся структур регулярно расположенных атомов, называемых атомными решетками. То, как электроны движутся по решетке, перепрыгивая от атома к атому, определяет многие свойства твердого тела, такие как его цвет, прозрачность и способность проводить тепло и электричество. Например, металлы блестящие, потому что содержат много свободных электронов, которые могут поглощать свет, а затем переизлучать его большую часть, заставляя их поверхность блестеть.

В некоторых кристаллах поведение электронов может создавать гораздо более экзотические свойства. То, как электроны движутся внутри графена — кристалла, состоящего из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, — порождает крайнюю версию квантового эффекта, называемого туннелированием, посредством которого частицы могут преодолевать энергетические барьеры, которые, по мнению классической физики, должны их блокировать. Графен также демонстрирует явление, называемое квантовым эффектом Холла: количество проводимого им электричества увеличивается определенными шагами, размер которых зависит от двух фундаментальных констант Вселенной. Подобные свойства делают графен по-настоящему интересным, а также потенциально полезным в различных приложениях, от усовершенствованной электроники и хранения энергии до улучшенных биомедицинских устройств.

Я и другие физики хотели бы понять, что происходит внутри графена на атомном уровне, но с помощью современных технологий трудно наблюдать действие в таком масштабе. Электроны движутся слишком быстро, чтобы мы могли уловить детали, которые хотим увидеть. Однако мы нашли умный способ обойти это ограничение, создав материю из света. Вместо атомной решетки мы используем световые волны для создания того, что мы называем оптической решеткой. Наша оптическая решетка имеет ту же геометрию, что и атомная решетка. Например, в недавнем эксперименте мы с моей командой создали оптическую версию графена с той же сотовой структурой решетки, что и стандартный углерод. В нашей системе мы заставляем холодные атомы прыгать по решетке яркого и тусклого света точно так же, как электроны прыгают вокруг атомов углерода в графене.

Используя холодные атомы в оптической решетке, мы можем увеличить систему и замедлить процесс прыжка настолько, чтобы увидеть, как частицы прыгают, и измерить этот процесс. Наша система не является идеальной эмуляцией графена, но для понимания интересующих нас явлений она вполне хороша. Мы даже можем изучать физику решетки способами, которые невозможны в твердотельных кристаллах. Наши эксперименты выявили особые свойства нашего синтетического материала, которые напрямую связаны с причудливой физикой, проявляющейся в графене.

Кристаллические явления, которые мы исследуем, являются результатом того, как квантовая механика ограничивает движение волнообразных частиц. Ведь электроны в кристалле хоть и имеют массу, но они одновременно частицы и волны (то же самое справедливо и для наших ультрахолодных атомов). В твердом кристалле эти ограничения ограничивают один электрон на одном атоме только одним значением энергии для каждого возможного шаблона движения (называемого квантовым состоянием). Все остальные количества энергии запрещены. Разные состояния имеют отдельные и различные — дискретные — энергетические значения. Но кусок твердого кристалла размером с виноградинку обычно содержит больше атомов (около 1023), чем песчинок на Земле. Взаимодействия между этими атомами и электронами приводят к тому, что разрешенные дискретные значения энергии размазываются и размазываются по разрешенным диапазонам энергии, называемым полосами. Визуализация зонной энергетической структуры материала может сразу же рассказать кое-что о свойствах этого материала.

Например, график зонной структуры кристалла кремния, распространенного материала, используемого для изготовления солнечных элементов на крыше, показывает запрещенный диапазон энергий, также известный как запрещенная зона, шириной 1,1 электронвольта. Если электроны могут переходить из состояний с энергией ниже этой щели в состояния с энергией выше щели, они могут течь через кристалл. К счастью для человечества, ширина запрещенной зоны этого распространенного материала хорошо перекрывается с длинами волн солнечного света. Когда кристалл кремния поглощает солнечный свет, через него начинают течь электроны, позволяя солнечным панелям преобразовывать свет в полезную электроэнергию.