|
Закономерность, выявленная в квантовой материи
|
|
|
|
Когда различные материалы переходят из одной фазы в другую, например, вода закипает или магнит теряет способность притягивать металлы, может произойти нечто удивительное: они начинают вести себя идентично, подчиняясь одним и тем же математическим правилам. «Физики называют это свойство универсальностью — сложные микроскопические детали исчезают, и сохраняются лишь некоторые существенные особенности», — объясняет Джейсон Алисеа, профессор теоретической физики имени Уильяма К. Дэвиса. Математика, лежащая в основе этих универсальных свойств, обычно описывается теоретической моделью, называемой конформной теорией поля.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Nature, сообщается о результатах первых в своем роде экспериментов экспериментальной группы профессора физики Калифорнийского технологического института Мануэля Эндреса и теоретической группы Алисеа, а также теоретиков из Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета, проведенных с использованием квантовых симуляторов — упрощенных версий квантовых компьютеров, адаптированных для решения конкретных задач.
|
|
|
|
Используя новые технологии, разработанные для этих квантовых симуляторов, команда сообщает о первом прямом измерении уровней энергии в синтетической квантовой материи, предсказанных конформными теориями поля Изинга и трикритической теорией поля Изинга. (Изинг — это Эрнст Изинг, физик, который в 1920-х годах решил раннюю модель магнетизма.) Обе теории описывают универсальное поведение, которое возникает, когда квантовая система, проявляющая экзотические свойства, такие как запутанность и суперпозиция, помещается в точку перелома между двумя состояниями, одно из которых более упорядочено, чем другое.
|
|
|
|
|
|
|
В отличие от переходов, знакомых из повседневной жизни, таких как превращение воды в пар, этот переход обусловлен не температурой, а исключительно квантовыми эффектами, которые происходят при температурах, близких к абсолютному нулю. Достигнув этой точки перелома, система может быть возбуждена лазерами для достижения ряда определенных энергий, подобно ступеням лестницы. «Уровни энергии, предсказанные этими теориями, важны, потому что они содержат глубокую информацию о самих теориях», — говорит Алисеа.
|
|
|
|
В течение четырех десятилетий исследователи использовали конформные теории поля для расчета расстояний между этими «ступеньками», которые имеют точно заданные соотношения, но до сих пор никто не измерял их экспериментально.
|
|
|
|
«Наши новые инструменты заимствованы из платформ квантовых вычислений», — говорит Сянкай Сунь, один из ведущих авторов нового исследования и аспирант, работающий в лаборатории Эндреса. «За последние 10 лет люди научились управлять этими системами, и теперь мы достигли того момента, когда можем использовать их для проведения фундаментальных физических исследований».
|
|
|
|
Квантовая система в исследовании основана на платформах, которые лаборатория Эндреса использует для создания квантовых компьютеров: массивы нейтральных атомов, захваченных лазерами, называемые оптическими пинцетами. Аналогичная платформа с нейтральными атомами в лаборатории недавно установила важный рубеж, захватив 6100 атомов в одном массиве. Хотя технология пинцетов, лежащая в основе этих массивов, была разработана в основном с учетом квантовых вычислений, в новом исследовании команда обратила ее к вопросу фундаментальной физики.
|
|
|
|
Для эксперимента исследователи использовали оптические пинцеты, чтобы захватить атомы стронция в линию. Они использовали другие лазеры для возбуждения атомов до высокоэнергетических состояний, называемых состояниями Ридберга, которые вызывают сильное взаимодействие между соседними атомами. В результате цепочка атомов вела себя как единое целое, а не как независимые частицы. Затем исследователи настроили лазеры таким образом, чтобы цепочка находилась в точке перелома.
|
|
|
|
Для считывания энергетической лестницы команда применила новый инструмент, разработанный для этих исследований, — многочастичную модуляционную спектроскопию. В этом подходе исследователи осторожно встряхивали всю цепочку, модулируя лазеры на выбранной частоте, а затем измеряли силу реакции атомов. Путем сканирования частот и фиксации пиков реакции команда смогла составить карту ступеней лестницы. Метод похож на проведение мокрым пальцем по краю бокала: при правильной скорости бокал резонирует со звуком, а при неправильной — ничего не происходит.
|
|
|
|
«Мы повторили эксперимент на цепочках до 35 атомов, и результаты оказались такими, как предсказывала теория конформного поля Изинга: спектры схлопнулись в единую универсальную кривую после масштабирования по размеру», — говорит Сунь. «Затем мы настроились на трикритическую точку и измерили самые низкие уровни её различимого спектра, которые оказались в различных соотношениях, предсказываемых теорией».
|
|
|
|
Поскольку каждый атом в массиве может быть обработан индивидуально, команда смогла также сделать то, что гораздо сложнее сделать с использованием традиционных материалов. Они отсортировали возбуждения в соответствии с их симметрией, выявив второе семейство ступеней, скрытых от первого измерения. И, регулируя атомы на двух концах цепочки, они изменили расположение лестницы — каждая настройка давала разный рисунок, предсказываемый трикритической теорией Изинга.
|
|
|
|
«Хотя мы и считали эти теории верными, важно иметь экспериментальную реализацию, что-то, что можно проверить и исследовать», — говорит Алисеа. «Видеть, как эти предсказания подтверждаются, — это прекрасно».
|
|
|
|
В будущем команда планирует использовать еще большую квантовую систему для изучения конформных теорий поля, используя не просто атомы в линии, а атомы в сетке. «В двух измерениях конформные теории поля изучены не так хорошо, поэтому это захватывающая возможность», — говорит Сан.
|
|
|
|
«Меня вдохновляет то, что этот метод не требует предварительного знания ответа. Здесь мы могли бы проверить наши измерения на соответствие точным предсказаниям», — говорит Эндрес. «Следующий шаг — направить это на системы, где никто не знает количественного отклика системы, включая режимы, недоступные для классических компьютеров».
|
|
|
|
Источник
|
