Cоздание новых материалов со специальными свойствами является очень важной, но чрезвычайно сложной задачей физики и химии. Еще в 1982 году Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (Richard P. Feynman) предложил построить квантовый имитатор (квантовый компьютер) для того, чтобы понимать и прогнозировать свойства сложных материалов, имитируя их искусственным путем, с помощью быстродействующей и контролируемой системы.

В последнем выпуске журнала Science исследователи из трех университетов Германии (University of Mainz, University of Cologne, Forschungszentrum Jülich) опубликовали работу (U. Schneider, L. Hackermüller, S. Will, Th. Best, I. Bloch, T. A. Costi, R. W. Helmes, D. Rasch, A. Rosch. Metallic and Insulating Phases of Repulsively Interacting Fermions in a 3D Optical Lattice,– Science 5 December 2008: Vol. 322. no. 5907, pp. 1520 – 1525 DOI: 10.1126/science.1165449), в которой показали возможность имитации свойств электронов в реальном кристалле. При этом, ученые использовали сверххолодные фермионные атомы искусственного кристалла, сформированного интерферирующими пучками лазерного излучения (так называемая оптическая решетка – optical lattice).

Исследователи преуспели в демонстрации одного из наиболее драматических эффектов отталкивания при взаимодействии электронов. Когда взаимодействие между электронами становятся слишком сильными, металл внезапно становится изолятором, известным под именем «изолятор Мотта» (Mott-insulator). Такое состояние является одним из наиболее важных примеров строго коррелированныхсостояний в физике конденсированных сред (Фи́зика конденси́рованных сред – большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем, т.е. систем с большим числом степеней свободы, с сильной связью). Как считают авторы, здесь находится отправная точка исследований квантового магнетизма. Более того, высокотемпературная сверхпроводимость, как это было показано, вытекает из близких зависимостей.

Атомы в оптической решетке представляют образец почти идеального квантового имитатора электронов в твердом теле, поскольку в данном случае появляется возможность наблюдать очень гибкую модельную систему в чистых и хорошо контролируемых условиях. Прямое исследование сложных материалов и высокотемпературных сверхпроводников является затруднительным, поскольку в реальных кристаллических материалах имеет место беспорядок среди множества взаимодействий, происходящих одновременно.

Поэтому столь трудно идентифицировать роли специфических взаимодействий. В данной работе был проведен сложный, но блестяще продуманный эксперимент, в котором атомный газ калия в первой фазе охлаждали до температуры, близкой к абсолютному нулю. В следующей фазе создавали оптическую решетку, используя перекрывающиеся лазерные пучки. Результирующее поле – стоячая волна представляет собой квази-регулярный кристалл с сотнями тысяч индивидуальных микроловушек для атомов. Такая система аналогична матрице оптических пинцетов. Ультрахолодные атомы калия, которые в данной конфигурации играют роль электронов в реальных твердых телах, выстраиваются системно в соответствующих точках стоячей волны.

Исследуя поведение атомов под давлением с возрастающей силой взаимодействий, ученые из Johannes Gutenberg University Mainz добились контролируемого переключения системы между металлическим (проводящим) состоянием и состоянием изоляции. Предполагается, что исследования изолятора Мотта в контексте оптической решетки открывает новые возможности по моделированию и исследованию сильно коррелированных состояний и явлений, к ним относящихся.

Евгений Биргер