Сбор данных о положении нейтральных фермионов в двумерном гармоническом потенциале позволил физикам впервые увидеть кристаллы Паули и исследовать их плавление. Об этом сообщается в препринте, размещенном на arxiv.org

Кристаллическая структура в физике зачастую возникает в случаях, когда отталкивающее взаимодействие между частицами компенсируется некоторой притягивающей силой. Например, для Вигнеровского кристалла кулоновское отталкивание электронов в одномерном проводнике превосходит их кинетическую энергию, и электроны локализуются. В случае кулоновского кристалла отталкивание ионов компенсируется общим потенциалом электромагнитной ловушки.

Однако имеется и совершенно иной механизм образования симметричной структуры — неразличимость одинаковых частиц. Он проявляется даже при полном отсутствии взаимодействия между частицами. Принцип запрета Паули гласит, что два фермиона не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии одновременно, поэтому если поместить несколько невзаимодействующих фермионов в общий потенциал, то это неизбежно приведет к появлению антикорреляции между различными положениями частиц.

Другими словами, фермионы самоорганизуются и образуют внутри потенциальной ямы кристаллоподобную структуру, которая минимизирует вероятность нахождения двух частиц в одной точке. Такое взаимодействие тождественных частиц носит название обменного взаимодействия, а возникающая структура называется кристаллом Паули.

Несмотря на сильные априорные аргументы в пользу существования кристаллов Паули, ранее их не удавалось обнаружить в эксперименте по нескольким причинам. Во-первых, необходимо довести взаимодействие между фермионами до минимума. Во-вторых, требуется высокая однородность потенциала ловушки. В-третьих, нужно обеспечить крайне эффективное охлаждение системы, поскольку эффекты обменного взаимодействия становятся заметными только при достаточном перекрытии волновых функций отдельных частиц.

Сильного кулоновского отталкивания проще всего избежать при работе с нейтральными атомами. Ранее ученые из Варшавского института физики предсказали образование кристалла Паули в системе из нескольких нейтральных атомов в общем гармоническом (квадратичном) потенциале. Именно это предложение взяли за основу Марвин Холтен (Marvin Holten) и его коллегами из университета Гейдельберга в текущей работе.