Egzotinės medžiagos būsenos atominiame luste

Išnaudodami šių gausiai medžiagoje esančių elementariųjų dalelių elektrinius krūvius ir atsaką į elektromagnetinius laukus, priverčiame jas tiksliai judėti reikiamomis laidininkų grandinėmis. Taigi informacijos pernaša, su kuria neišvengiamai susiduriame kiekvieną dieną, iš esmės yra susijusi su vidine elektrono savybe – jo krūviu.

Be masės ir krūvio elektronas pasižymi dar viena savybe, apie kurios egzistavimą sužinojome tiktai gimus kvantinei mechanikai. Kalba eina apie vadinamąjį sukinį – svarbiausią magnetizmo elementą, kurį galima įsivaizduoti susidarantį dėl netikro dalelės sukimosi apie savo ašį. Priešingai nei krūvis, elektrono sukinys gali įgyti dvi skirtingas vertes, todėl jis tinkamas informacijai perduoti. Vykusiai išnaudodami šį reiškinį, tyrėjai yra pasirengę sukelti tikrą moderniųjų technologijų revoliuciją, kuri paprastai krikštijama spintronikos vardu.

Šiuo metu sukinių srovių sukūrimas ir valdymas yra itin karštų diskusijų objektas. 2006 metais laboratorijose pavyko aptikti naujovišką medžiagų klasę, pavadintą topologinių izoliatorių vardu. Kitaip nei įprastiniai izoliatoriai, visiškai nepraleidžiantys elektros srovės, šios stebinančios medžiagos yra apibūdinamos sukinių srovėmis, sugebančiomis tekėti jų paviršiumi. Labai svarbu tai, kad sukinių pernaša vyksta neprarandant energijos, be to, ji nepaprastai atspari išoriniams trikdžiams.

Ši savybė yra nusakoma vadinamuoju kvantiniu sukinių Holo efektu. Iš teorinės pusės kvantinį sukinių Holo efektą reikėtų pradėti aiškinti taip: pasireiškiant šiam efektui medžiaga pereina į naują fazę, apibūdinamą topologiniu invariantu – matematiniu skaičiumi, kurio vertė esant mažoms deformacijoms išlieka pastovi. Ši specifinė medžiagos būsena yra vadinama egzotine, nes jos negalima klasifikuoti pagal fazinių virsmų teorijos kriterijus. Vis dėlto medžiagos, kuriose pasireiškia kvantinis sukinių Holo efektas, bendru atveju turi įvairių defektų, pavyzdžiui, priemaišų arba papildomų ryšių tarp dalelių. Šie nepageidaujami trūkumai užgožia naudingąsias savybes, todėl smarkiai apriboja topologinių izoliatorių panaudojimą pramonėje.

Tam, kad geriau suprastume topologinių izoliatorių veikimą, reikia taikyti tobulesnes tyrimo priemones. Kaip paaiškėjo, čia puikiai pasitarnautų lazeriais pagauti ir atvėsinti šaltieji atomai. Šios dirbtinės sistemos atveria neregėtas galimybes valdyti sąveikas tarp dalelių, be to, jos neturi įprastinėms medžiagoms būdingų priemaišų. Taigi šaltieji atomai gali atlikti kvantinio modeliavimo vaidmenį ir išnaudoti pažangiausias nūdienos technologijas. Bene svarbiausia yra tai, jog jos leidžia nagrinėti atomų sukinius nepaprastai dideliu tikslumu.

Galimybė sukurti topologinius izoliatorius su šaltaisiais atomais yra itin patraukli, nes tokios sistemos užtikrintų laboratorinio lygio kvantinio sukinių Holo efekto realizavimą. Neseniai žurnale „Physical Review Letters“ pasirodžiusiame straipsnyje tarptautinė mokslininkų komanda, sudaryta iš teoretikų ir eksperimentuotojų, aprašo šios srities pasiekimus. Tyrėjams pavyko sugalvoti labai išmoningą realizavimo mechanizmą, leidžiantį sukurti topologinius izoliatorius naudojant šaltuosius atomus atominiame luste.

Eksperimentinės įrangos pagrindą sudaro laidžių vielų rinkinys, sukuriantis tiksliai valdomus magnetinius laukus, kurie apriboja ir kontroliuoja atomus luste. Keisdami magnetinius laukus ir taikydami Nacionalinio standartų ir technologijos instituto (JAV) atstovų sugalvotą metodą, tyrėjai parodė, jog atominė sistema gali pereiti į topologinę fazę, kuri savo ruožtu priartina prie kvantinio sukinių Holo efekto. Straipsnio autoriai taip pat siūlo veiksmingą metodą, leidžiantį aptikti sukinių sroves. Topologinių skysčių su šaltaisiais atomais sukūrimas neabejotinai pagilintų mūsų žinias apie šias egzotines medžiagos būsenas ir paspartintų kvantinio skaičiavimo technologijų plėtojimą.