Квантовые симуляторы решают физические головоломки с помощью цветных точек

Прочитано: 116 раз(а)


Анализируя изображения, состоящие из цветных точек, созданных квантовыми симуляторами, исследователи ETH изучили особый вид магнетизма. В будущем этот метод можно будет использовать и для решения других физических задач, например, в области сверхпроводимости.

Вблизи он выглядит как множество цветных точек, но издалека видна сложная картина, богатая деталями: Используя технику пуантилизма, Жорж Сёра в 1886 году создал шедевр «Воскресный полдень на острове Гранд-Жатт». Подобным образом Юджин Демлер и его коллеги из ETH Zurich изучают сложные квантовые системы, состоящие из множества взаимодействующих частиц. В их случае точки создаются не путем рисования кистью, а путем визуализации отдельных атомов в лаборатории.

Вместе с коллегами из Гарварда и Принстона группа Демлера теперь использовала новый метод, который они называют «квантовым пуантилизмом», чтобы поближе изучить особый вид магнетизма.

Исследователи только что опубликовали свои результаты в двух статьях в журнале Nature под названиями « Наблюдение поляронов Нагаока в квантовом симуляторе Ферми-Хаббарда » и « Непосредственное отображение спиновых поляронов в кинетически фрустрированной системе Хаббарда ».

Смена парадигмы понимания

«Эти исследования представляют собой сдвиг парадигмы в нашем понимании таких магнитных квантовых явлений. До сих пор мы не могли изучить их подробно», — говорит Демлер. Все началось около двух лет назад в ETH. Группа Атача Имамоглу экспериментально исследовала специальные материалы с треугольной кристаллической решеткой (муаровые материалы из дихалькогенидов переходных металлов).

Когда Демлер и его постдок Иван Морера проанализировали данные Имамоглу, они столкнулись с особенностью, которая предполагала своего рода магнетизм, который ранее предсказывался только теоретически.

«В этом кинетическом магнетизме несколько электронов, движущихся внутри кристаллической решетки, могут намагничивать материал», — объясняет Морера.

В эксперименте Имамоглу этот эффект, известный среди экспертов как механизм Нагаоки, впервые мог быть обнаружен в твердом теле путем измерения, среди прочего, магнитной восприимчивости, то есть того, насколько сильно материал реагирует на внешнее магнитное поле.

«Это обнаружение было основано на очень убедительных доказательствах. Однако для прямого доказательства нужно было бы измерить состояние электронов — их положение и направление вращения — одновременно в нескольких местах внутри материала», — говорит Демлер.

Сложные процессы стали видимыми

Однако в твердом теле это невозможно обычными методами. В лучшем случае исследователи могут использовать дифракцию рентгеновских лучей или нейтронов, чтобы выяснить, как спины электронов связаны друг с другом в двух положениях — так называемая спиновая корреляция. Корреляции между сложным расположением спинов и дополнительными или отсутствующими электронами не могут быть измерены таким способом.

Чтобы сделать видимыми сложные процессы механизма Нагаока, которые Демлер и Морера рассчитали с помощью модели, они обратились к коллегам из Гарварда и Принстона. Там исследовательские группы под руководством Маркуса Грейнера и Васима Бакра разработали квантовые симуляторы, которые можно использовать для точного воссоздания условий внутри твердого тела.

Вместо электронов, движущихся внутри решетки из атомов, в таких симуляторах американские исследователи используют чрезвычайно холодные атомы, запертые внутри оптической решетки из световых лучей. Однако математические уравнения, описывающие электроны внутри твердого тела и атомы внутри оптической решетки, практически идентичны.

Цветные снимки квантовой системы

Используя сильно увеличивающий микроскоп, группы Грейнера и Бакра смогли определить не только положение отдельных атомов, но и направления их вращения. Они перевели информацию, полученную из этих снимков квантовой системы, в цветную графику, которую можно было сравнить с теоретическими изображениями пуантилистов.

Демлер и его коллеги теоретически рассчитали, например, как один дополнительный электрон в механизме Нагаоки образует пару с другим электроном противоположного спина, а затем движется через треугольную решетку материала как дублон.

По предсказанию Демлера и Мореры, этот дублон должен быть окружен облаком электронов, направления вращения которых параллельны, или ферромагнитными. Такое облако также известно как магнитный полярон.

Именно это увидели в своих экспериментах американские исследователи. Более того, если в кристалло-оптической решетке квантового симулятора отсутствовал атом — что соответствует отсутствующему электрону или «дырке» в реальном кристалле — то облако, образующееся вокруг этой дыры, состояло из пар атомов, спины которых были направлены в противоположные стороны. направлениях, как и предсказывали Демлер и Морера.

Этот антиферромагнитный порядок (или, точнее: антиферромагнитные корреляции) ранее также был косвенно обнаружен в твердотельном эксперименте в Корнельском университете в США. В квантовом симуляторе теперь он стал виден напрямую.

«Впервые мы решили физическую головоломку, используя эксперименты как с «реальным» твердым телом, так и с помощью квантового симулятора. Наша теоретическая работа — это клей, который скрепляет все вместе», — говорит Демлер. Он уверен, что в будущем его метод пригодится и для решения других непростых задач.

Например, механизм формирования магнитного поляронного облака также может играть важную роль в высокотемпературных сверхпроводниках.

Квантовые симуляторы решают физические головоломки с помощью цветных точек



Новости партнеров