Физики из Массачусетского технологического института (MIT) сделали снимки пары частиц внутри облака атомов, имитирующего сверхпроводящий материал. Это первые изображения, которые непосредственно фиксируют формирование пар фермионов. Это класс частиц с полуцелым спином, в который входят электроны, протоны, нейтроны и некоторые типы атомов.
Непосредственно наблюдать за образованием пар электронов в сверхпроводящих материалах — невыполнимая задача: они слишком малы и слишком быстры для захвата с помощью существующих методов визуализации. Чтобы понять их поведение, физики изучили поведение атомов калия — 40. Они также являются фермионами и подобно электронам могут формировать пары между частицами с разными спинами.
Физики использовали для экспериментов разбавленный газ, состоящий примерно из тысячи атомов калий — 40. Они охладили его до температуры в несколько нанокельвинов (практически до абсолютного нуля), чтобы максимально замедлить движения атомов. Охлажденный газ поместили в оптическую решетку (сетку лазерного света). Внутри такой системы можно точно определять местоположение конкретного атома.
Иллюстрация связанных пар атомов с разным спином (красные и синие кружки) внутри лазерной сетки. Изображение: Thomas Hartke, MIT
Физики улучшила существующую технику визуализации фермионов, что позволило им на мгновение заморозить атомы на месте, а затем сделать снимки атомов калия — 40 отдельно с тем или иным конкретным спином. Затем исследователи наложили изображение одного типа атома на другой и посмотрели, где и как частицы с разным спином формировали пары.
Даже на отдельных изображениях было видно множество локальных пар. Анализируя наборы из сотен снимков, физики подтвердили, что атомы действительно появляются парами. Иногда они соединялись в тесную пару внутри одного квадрата, а иногда образовывали более свободные пары, разделенные одним или несколькими интервалами сетки. Такое дистанционное существование пары было предсказано ранее, но никогда не наблюдалось.
Фермионные пары — основа сверхпроводимости. В традиционных проводниках движение электронов случайно, они могут сталкиваться с другими частицами с выделением тепла. Пары, сформированные в сверхпроводниках, позволяют электронам двигаться без трения. Моделирование и визуализация фермионных пар поможет лучше исследовать физику этого процесса и разработать новые сверхпроводящие материалы, считают ученые.
