Het Pauli-uitsluitingsprincipe is een wet van de kwantummechanica geïntroduceerd door de Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli, die waardevolle inzichten biedt over de structuur van materie. Specifieker, het Pauli-principe stelt dat twee of meer identieke fermionen niet tegelijkertijd dezelfde kwantumtoestand in een kwantumsysteem kunnen bezetten.

Onderzoekers van het Physics Institute van de Universiteit van Heidelberg hebben dit principe onlangs rechtstreeks waargenomen in een continu systeem dat uit maximaal zes deeltjes bestaat. Hun experiment, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou de weg kunnen effenen voor een beter begrip van sterk op elkaar inwerkende systemen bestaande uit fermionen.

"De visie om complexe veellichamensystemen te bestuderen, beginnend bij kleine, goed begrepen, bouwstenen heeft een lange geschiedenis in onze groep, " Luca Bayha en Marvin Holten, twee van de onderzoekers die de recente studie hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. "Dit begon met experimenten waarbij we een fermi-zee één atoom tegelijk vormden, culminerend in een van onze laatste onderzoeken waarin we tekenen van een kwantumfase-overgang konden waarnemen in systemen van slechts zes atomen."

In recente jaren, Bayha, Holten en hun collega's hebben veel energie gestoken in het ontwikkelen van een nieuwe techniek waarmee ze afzonderlijke atomen in mesoscopische systemen kunnen afbeelden, om ze nader te onderzoeken. In hun recente studie, ze pasten deze techniek voor het eerst toe op continue systemen van maximaal zes niet-interagerende fermionische atomen.

"Het belangrijkste doel van onze studie was om correlaties van hogere orde waar te nemen in een continu systeem, " zeiden Bayha en Holten. "Het niet-interagerende systeem is een ideaal startpunt om ons experiment te benchmarken."

in 2016, een onderzoeksgroep onder leiding van Mariusz Gajda stelde voor het eerst voor dat hogere orde correlaties kunnen worden gevisualiseerd als 'Pauli-kristallen'. Pauli-kristallen zijn prachtige patronen die kunnen ontstaan ​​in een wolk van ingesloten en niet-interagerende fermionen.

Tot dusver, Bayha, Holten en hun collega's observeerden deze patronen in systemen met maximaal zes deeltjes. In de nabije toekomst, echter, ze hopen verdere experimenten uit te voeren met meer deeltjes en sterke interacties. Dit zou hen in staat stellen om paring en superfluïditeit in 2D-systemen verder te onderzoeken.

"De directe observatie van Pauli's principe in continue systemen stelt nogal uitdagende eisen aan het experiment, "Bayha en Holten legden uit. "Het systeem moet koud genoeg zijn en gecontroleerd worden op zeer lage absolute energieschalen. Alleen dan, de golffuncties van de afzonderlijke deeltjes overlappen en hun fermionische aard wordt belangrijk."

Om ervoor te zorgen dat ze het Pauli-principe in continue systemen direct konden observeren, de onderzoekers perfectioneerden een koeltechniek die ze een paar jaar geleden pionierden. Deze techniek maakt het mogelijk om op deterministische wijze alle 'hete' atomen met hogere energieën uit een systeem te verwijderen. Door deze atomen te verwijderen, de onderzoekers waren in staat om de grond van het systeem voor te bereiden (d.w.z. laagste energie) staat met een hoge mate van trouw.

Nadat ze een systeem voldoende hadden afgekoeld, Bayha, Holten en hun collega's moesten waarnemingen verzamelen met een enkele atoomresolutie en hoge detectiegetrouwheid, om het Pauli-principe in acht te nemen. Ze bereikten dit door de wolk van atomen een bepaalde tijd te laten uitzetten voordat ze een foto maakten.

"De methode die we hebben gebruikt, vergroot het systeem effectief met een factor 50, Bayha en Holten zeiden. "Vervolgens belichten we de wolk met twee tegenover elkaar liggende laserstralen en verzamelen we verstrooide fotonen op een extreem gevoelige camera die bijna elk afzonderlijk foton detecteert dat de chip raakt. Samen stellen deze methoden ons in staat om afzonderlijke atomen op te lossen met detectiekansen in de orde van 99%."

De waarnemingen verzameld door dit team van onderzoekers tonen aan dat de correlatie tussen individuele deeltjes ook kan worden waargenomen in continuümsystemen, waarin de golffuncties van individuele deeltjes elkaar overlappen. Tot dusver, de Bayha, Holten en hun collega's gebruikten de techniek die ze ontwikkelden om Pauli-kristallen te observeren, dat zijn prachtige visualisaties van het Pauli-principe. Echter, dezelfde techniek zou binnenkort ook kunnen worden gebruikt om andere sterk gecorreleerde veellichamensystemen te onderzoeken.

"We zijn nu van plan om de beeldvormingsmethode uit te breiden naar interactieve systemen, ' zeiden Holten en Bayha. 'Hier, de correlaties tussen de deeltjes ontstaan ​​niet door het principe van Pauli, maar zijn het gevolg van interacties. Dit zal ons in staat stellen om te onderzoeken hoe correlaties in interagerende systemen op microscopisch niveau ontstaan ​​en nieuwe inzichten te geven in sterk interagerende fermionische materie en supervloeistoffen."

© 2021 Science X Network