В сложной системе из фермионов наблюдали выполнение принципа Паули
Принцип Паули мы знаем еще со школьных уроков химии. Но наблюдать его выполнение в системах из нескольких частиц удалось лишь спустя 95 лет после открытия
Принцип Паули гласит, что в системе не могут одновременно находиться две частицы с одинаковыми квантовыми числами. Всего существуют четыре квантовых числа. Для электронов эти числа определяют их положение относительно атомного ядра, форму орбитали, магнитный и собственный моменты импульса. Каждый электрон в системе, согласно принципу Паули, уникален, поэтому две одинаковые частицы просто не смогут существовать согласованно.
В новой работе физики решили проверить этот принцип в эксперименте, используя разработанный ими ранее метод визуализации систем из нескольких фермионов — элементарных частиц с полуцелым спином, к которым относят, например, электроны. Этот способ ученые придумали еще четыре года назад. Все это время авторы реализовывали свою задумку на практике.
Для начала исследователи получили кристаллы Паули — облака захваченных невзаимодействующих фермионов, которые обычно образуют красивые узоры, похожие на цветы. Затем, чтобы увидеть соблюдение принципа Паули, физикам пришлось охладить систему до сверхнизких температур. Для этого авторы удалили из кристаллов все частицы с высокой энергией, оставив шесть самых «медленных» из них.
Затем физики позволили облаку частиц расшириться, чтобы еще больше понизить энергию системы и замедлить частицы. После этого ученые сделали снимок, освещая пластину двумя лазерными лучами с противоположных сторон и собирая рассеянные фотоны на специальной фоточувствительной матрице. В результате исследователи смогли наблюдать выполнение одного из фундаментальных принципов квантовой химии.
Теперь авторы намерены использовать метод для визуализации систем из взаимодействующих частиц. Они надеются, что их открытие поможет лучше понять природу ферми-жидкостей и сверхтекучих жидкостей.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.