Эксперименты на ускорителях частиц, коллайдерах, дороги и сложны в организации. Команда ученых выяснила, что использование огромных установок и миллионов частиц необязательно — можно обойтись тремя электронами.
«Парадокс кучи» ставит вполне практический вопрос: с какого количества объектов они становятся чем-то другим, «кучей». С какого количества зерен горстка риса становится счетным количеством зерен, табун становится группой отдельных лошадей, а поредевший волосяной покров — лысиной?
Ответы на эти вопросы во многом дают социальные науки. Если заходить на территорию точных и фундаментальных наук, стоит переформулировать вопрос. Какие минимальное количество элементов нужно, чтобы они вели себя как единая система? Когда отдельные атомы становятся кристаллом или газом?
Физики выяснили, что для образования сильного взаимодействия между электронами достаточно трех частиц. Чтобы их связь повторяла поведение сотен миллиардов электронов, число стоит увеличить до пяти. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Ученые сформировали коллайдер для столкновения частиц на основе легированной кремнием гетероструктуры арсенида галлия/арсенида галлия-алюминия (GaAs/AlGaAs) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Внутри структуры проложили пути для частиц в форме буквы Y. Систему охладили до 25 кельвин, создали из точного количества частиц каплю сильно коррелированных электронов, провели каплю к разделяющейся части маршрута. На этом барьере капля дробилась, а ученые подсчитывали количество и свойства получившихся в результате объектов с каждой стороны Y-образного пути.
Эксперимент показал, что три электрона вместе ведут себя как сильно коррелированная кулоновская жидкость и подчиняются статистике микроскопических систем. При увеличении числа частиц до пяти общность частиц демонстрирует свойства квантовой жидкости, макроскопической системы.
Кроме того, эксперимент помог выяснить момент зарождения коллективного поведения электронов. Этот результат позволит ученым удешевить изучение сложных состояний вещества — образующейся при столкновения тяжелых ионов кварк-глюонной плазмы и квантовых газов.