Японские и американские физики использовали атомы примерно в 3 миллиарда раз холоднее межзвездного пространства, чтобы открыть портал в неизведанную область квантового магнетизма.

«Если инопланетная цивилизация не проводит подобные эксперименты прямо сейчас, каждый раз, когда этот эксперимент проводится в Киотском университете, он производит самые холодные фермионы во Вселенной», — сказал Каден Хаззард из Университета Райса, автор соответствующей теории исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature Physics . «Фермионы — это не редкие частицы. Они включают в себя такие вещи, как электроны, и являются одним из двух типов частиц, из которых состоит вся материя».

Киотская команда под руководством автора исследования Ёсиро Такахаши использовала лазеры для охлаждения своих фермионов, атомов иттербия, примерно до одной миллиардной градуса абсолютного нуля , недостижимой температуры, при которой любое движение останавливается. Это примерно в 3 миллиарда раз холоднее, чем межзвездное пространство , которое все еще нагревается за счет послесвечения Большого взрыва.

«Выгода от этого холода заключается в том, что физика действительно меняется», — сказал Хаззард. «Физика начинает становиться более квантово-механической и позволяет увидеть новые явления».

Атомы подчиняются законам квантовой динамики точно так же, как электроны и фотоны, но их квантовое поведение становится очевидным только тогда, когда они охлаждаются до доли градуса абсолютного нуля. Физики уже более четверти века используют лазерное охлаждение для изучения квантовых свойств ультрахолодных атомов. Лазеры используются как для охлаждения атомов, так и для ограничения их движения оптическими решетками, одномерными, двумерными или трехмерными световыми каналами, которые могут служить квантовыми симуляторами, способными решать сложные задачи, недоступные для обычных компьютеров.

Лаборатория Такахаши использовала оптические решетки для имитации модели Хаббарда, часто используемой квантовой модели, созданной в 1963 году физиком-теоретиком Джоном Хаббардом. Физики используют модели Хаббарда для исследования магнитного и сверхпроводящего поведения материалов, особенно тех, в которых взаимодействия между электронами вызывают коллективное поведение, что-то вроде коллективных взаимодействий ликующих спортивных болельщиков, исполняющих «волну» на переполненных стадионах.

«Термометр, который они используют в Киото, — одна из важных вещей, обеспечиваемых нашей теорией», — сказал Хаззард, доцент кафедры физики и астрономии и член Rice Quantum Initiative. «Сравнивая их измерения с нашими расчетами, мы можем определить температуру. Рекордная температура достигается благодаря забавной новой физике, которая связана с очень высокой симметрией системы».

Модель Хаббарда, смоделированная в Киото, имеет особую симметрию, известную как SU(N), где SU обозначает особую унитарную группу — математический способ описания симметрии, а N обозначает возможные спиновые состояния частиц в модели. Чем больше значение N, тем выше симметрия модели и сложность описываемого ею магнитного поведения. Атомы иттербия имеют шесть возможных спиновых состояний, и симулятор Kyoto первым обнаружил магнитные корреляции в модели SU(6) Хаббарда, которые невозможно рассчитать на компьютере.

«Это настоящая причина для проведения этого эксперимента», — сказал Хаззард. «Потому что мы умираем от желания узнать физику этой модели SU(N) Хаббарда».

Соавтор исследования Эдуардо Ибарра-Гарсия-Падилья, аспирант исследовательской группы Хаззарда, сказал, что модель Хаббарда направлена ​​на то, чтобы охватить минимальные ингредиенты, чтобы понять, почему твердые материалы становятся металлами, изоляторами, магнитами или сверхпроводниками.

«Один из увлекательных вопросов, который могут исследовать эксперименты, — это роль симметрии», — сказал Ибарра-Гарсия-Падилья. «Возможность создать его в лаборатории — это экстраординарно. Если мы сможем понять это, это может привести нас к созданию реальных материалов с новыми желаемыми свойствами».

Команда Такахаши показала, что может удерживать до 300 000 атомов в своей трехмерной решетке. Хаззард сказал, что точное вычисление поведения даже дюжины частиц в SU(6) модели Хаббарда находится за пределами досягаемости самых мощных суперкомпьютеров. Эксперименты в Киото дают физикам возможность узнать, как работают эти сложные квантовые системы, наблюдая за ними в действии.

По словам Хаззарда, результаты являются важным шагом в этом направлении и включают в себя первые наблюдения за координацией частиц в модели Хаббарда SU(6).

«Сейчас эта координация носит ближний характер, но по мере дальнейшего охлаждения частиц могут появиться более тонкие и экзотические фазы материи», — сказал он. «Одна из интересных особенностей некоторых из этих экзотических фаз заключается в том, что они не упорядочены по очевидной схеме, а также не случайны. Корреляции существуют, но если вы посмотрите на два атома и спросите: «Они коррелированы?» вы их не увидите. Они намного тоньше. Вы не можете смотреть на два, три или даже на 100 атомов. Вам как бы нужно смотреть на всю систему».

У физиков пока нет инструментов, способных измерить такое поведение в эксперименте Киото. Но Хаззард сказал, что работа по созданию инструментов уже ведется, и успех команды Киото подстегнет эти усилия.

«Эти системы довольно экзотические и особенные, но есть надежда, что, изучая и понимая их, мы сможем определить ключевые ингредиенты, которые должны присутствовать в реальных материалах», — сказал он.