Fizycy japońscy i amerykańscy wykorzystali atomy około 3 miliardy razy zimniejsze niż przestrzeń międzygwiezdna, aby otworzyć portal do niezbadanej sfery magnetyzmu kwantowego.
„O ile obca cywilizacja nie przeprowadza teraz takich eksperymentów, za każdym razem, gdy ten eksperyment jest przeprowadzany na Uniwersytecie w Kioto, wytwarza najzimniejsze fermiony we wszechświecie” – powiedział Kaden Hazzard z Rice University, autor teorii w badaniu opublikowanym dzisiaj w Nature Physics. „Fermiony nie są rzadkimi cząstkami. Zawierają takie rzeczy jak elektrony i są jednym z dwóch rodzajów cząstek, z których zbudowana jest cała materia”.
Zespół z Kioto kierowany przez autora badań Yoshiro Takahashiego użył laserów do chłodzenia swoich fermionów, atomów iterbu, do około jednej miliardowej stopnia zera absolutnego, nieosiągalnej temperatury, w której zatrzymuje się wszelki ruch. To około 3 miliardy razy zimniej niż przestrzeń międzygwiazdowa, która wciąż jest ogrzewana poświatą Wielkiego Wybuchu.
„Zapłatą za przeziębienie jest to, że fizyka naprawdę się zmienia” – powiedział Hazzard. „Fizyka zaczyna stawać się bardziej kwantowo-mechaniczna i pozwala zobaczyć nowe zjawiska”.
Atomy podlegają prawom dynamiki kwantowej, podobnie jak elektrony i fotony, ale ich zachowania kwantowe stają się widoczne dopiero wtedy, gdy są chłodzone w granicach ułamka stopnia zera absolutnego. Fizycy od ponad ćwierć wieku stosują chłodzenie laserowe do badania właściwości kwantowych ultrazimnych atomów. Lasery są wykorzystywane zarówno do chłodzenia atomów, jak i ograniczania ich ruchów do siatek optycznych, kanałów świetlnych 1D, 2D lub 3D, które mogą służyć jako symulatory kwantowe zdolne do rozwiązywania złożonych problemów poza zasięgiem konwencjonalnych komputerów.
Laboratorium Takahashi wykorzystywało siatki optyczne do symulacji modelu Hubbarda, często używanego modelu kwantowego stworzonego w 1963 roku przez fizyka teoretycznego Johna Hubbarda. Fizycy używają modeli Hubbarda do badania magnetycznego i nadprzewodzącego zachowania materiałów, zwłaszcza tych, w których interakcje między elektronami wywołują zbiorowe zachowanie, podobnie jak zbiorowe interakcje wiwatujących fanów sportu, którzy wykonują „falę” na zatłoczonych stadionach.
„Termometr, którego używają w Kioto, jest jedną z ważnych rzeczy dostarczanych przez naszą teorię” – powiedział Hazzard, profesor fizyki i astronomii oraz członek Inicjatywy Kwantowej Ryżu. „Porównując ich pomiary z naszymi obliczeniami, możemy określić temperaturę. Rekordową temperaturę osiągamy dzięki nowej, zabawnej fizyce, która ma związek z bardzo wysoką symetrią systemu”.
Model Hubbarda symulowany w Kioto ma specjalną symetrię znaną jako SU(N), gdzie SU oznacza specjalną grupę unitarną – matematyczny sposób opisu symetrii – a N oznacza możliwe stany spinowe cząstek w modelu. Im większa wartość N, tym większa symetria modelu i złożoność opisywanych przez niego zachowań magnetycznych. Atomy iterbu mają sześć możliwych stanów spinu, a symulator z Kioto jako pierwszy ujawnił korelacje magnetyczne w modelu Hubbarda SU(6), których nie można obliczyć na komputerze.
„To jest prawdziwy powód do przeprowadzenia tego eksperymentu” – powiedział Hazzard. „Ponieważ umieramy, aby poznać fizykę tego modelu SU(N) Hubbarda”.
Współautor badania Eduardo Ibarra-García-Padilla, absolwent w grupie badawczej Hazzarda, powiedział, że model Hubbarda ma na celu uchwycenie minimalnych składników, aby zrozumieć, dlaczego materiały stałe stają się metalami, izolatorami, magnesami lub nadprzewodnikami.
„Jednym z fascynujących pytań, które mogą zbadać eksperymenty, jest rola symetrii” – powiedziała Ibarra-García-Padilla. „Możliwość zaprojektowania go w laboratorium jest niezwykła. Jeśli zdołamy to zrozumieć, może to doprowadzić nas do stworzenia prawdziwych materiałów o nowych, pożądanych właściwościach”.
Zespół Takahashiego wykazał, że w swojej trójwymiarowej sieci może uwięzić do 300 000 atomów. Hazzard powiedział, że dokładne obliczenie zachowania nawet tuzina cząstek w modelu Hubbarda SU(6) jest poza zasięgiem najpotężniejszych superkomputerów. Eksperymenty z Kioto dają fizykom szansę na poznanie, jak działają te złożone systemy kwantowe, obserwując je w akcji.
Wyniki są ważnym krokiem w tym kierunku i obejmują pierwsze obserwacje koordynacji cząstek w modelu Hubbarda SU(6), powiedział Hazzard.
„W tej chwili ta koordynacja ma niewielki zasięg, ale gdy cząstki są jeszcze bardziej schładzane, mogą pojawiać się subtelniejsze i bardziej egzotyczne fazy materii” – powiedział. „Jedną z interesujących rzeczy w niektórych z tych egzotycznych faz jest to, że nie są uporządkowane według oczywistego wzorca, a także nie są przypadkowe. Istnieją korelacje, ale jeśli spojrzysz na dwa atomy i zapytasz: „Czy są skorelowane?” nie zobaczysz ich. Są znacznie bardziej subtelne. Nie możesz patrzeć na dwa, trzy, a nawet 100 atomów. Musisz spojrzeć na cały układ.
Fizycy nie mają jeszcze narzędzi, które mogłyby zmierzyć takie zachowanie w eksperymencie z Kioto. Ale Hazzard powiedział, że prace nad stworzeniem narzędzi już trwają, a sukces zespołu z Kioto pobudzi te wysiłki.
„Te systemy są dość egzotyczne i wyjątkowe, ale mamy nadzieję, że badając je i rozumiejąc, możemy zidentyfikować kluczowe składniki, które muszą znajdować się w prawdziwych materiałach” – powiedział.
Współautorami badania są Shintaro Taie, Naoki Nishizawa i Yosuke Takasu z Kioto, Hao-Tian Wei z Uniwersytetu Rice i Fudan w Szanghaju, Yoshihito Kuno z Uniwersytetu Tsukuba w Ibaraki w Japonii oraz Richard Scalettar z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Davisa.
Badania w Rice były wspierane przez Fundację Welcha (C-1872) i National Science Foundation (1848304).