Ультрахолодные атомы, управляемые лазерами, достигли состояния Лафлина, своеобразной квантовой жидкости, в которой каждый атом танцует вокруг своих сородичей. Кредит: Натан Голдман

Открытие квантовых эффектов Холла в 1980-х годах выявило существование новых состояний материи, названных «состояниями Лафлина» в честь американского лауреата Нобелевской премии, который успешно охарактеризовал их теоретически. Эти экзотические состояния возникают в двумерных материалах при очень низкой температуре и в присутствии очень сильного магнитного поля.

В состоянии Лафлина электроны образуют своеобразную жидкость, где каждый электрон танцует вокруг своих сородичей, максимально избегая их. Возбуждение такой квантовой жидкости порождает коллективные состояния, которые физики связывают с фиктивными частицами, свойства которых резко отличаются от свойств электронов: эти «анионы» несут дробный заряд (долю элементарного заряда) и неожиданно бросают вызов стандартной классификации частиц с точки зрения бозоны или фермионы.

В течение многих лет физики исследовали возможность реализации состояний Лафлина в других типах систем, отличных от тех, что предлагаются твердотельными материалами, с целью дальнейшего анализа их специфических свойств. Однако необходимые ингредиенты (двумерная природа системы, интенсивное магнитное поле, сильные корреляции между частицами) оказались чрезвычайно сложными.

В журнале Nature международная команда, собравшаяся вокруг экспериментальной группы Маркуса Грейнера из Гарварда, сообщает о первой реализации состояния Лафлина с использованием ультрахолодных нейтральных атомов, управляемых лазерами. Эксперимент состоит в захвате нескольких атомов в оптическую коробку и использовании ингредиентов, необходимых для создания этого экзотического состояния: сильного синтетического магнитного поля и сильных отталкивающих взаимодействий между атомами.

В своей статье авторы раскрывают характерные свойства состояния Лафлина, изображая атомы один за другим через мощный квантово-газовый микроскоп. Они демонстрируют своеобразный «танец» частиц, вращающихся вокруг друг друга, а также дробный характер реализованного состояния атома Лафлина.

Эта веха открывает дверь в новую широкую область исследования состояний Лафлина и их родственников (например, так называемого состояния Мура-Рида) в квантовых симуляторах. Возможность создавать, отображать и манипулировать любыми ионами под квантово-газовым микроскопом особенно привлекательна ввиду использования их уникальных свойств в лаборатории.