Фізики з Каліфорнійського технологічного інституту вперше експериментально виміряли квантову енергетичну драбину, передбачену теоретиками ще чотири десятиліття тому. Це відкриття започатковує новий етап у вивченні квантової матерії.
Коли матеріали зазнають суттєвих змін (наприклад, під час кипіння води або втрати магнітом своїх магнітних властивостей), цілком різні системи іноді починають поводитися відповідно до однакових математичних правил. Фізики називають це явище універсальністю: дрібні мікроскопічні деталі нівелюються, а на перший план виходять лише фундаментальні особливості. Для опису такого універсального спектра поведінки вчені часто використовують математичну модель, відому як конформна теорія поля.
Читайте також:
Колайдер не створив чорну діру і не знищив планету. Фізики в ЦЕРН перевірили обмеження для теорії струн У масштабному дослідженні, результати якого опубліковано в науковому журналі Nature, дослідники провели перші у своєму роді експерименти з використанням сучасних квантових симуляторів для двох різних конформних теорій поля. Проєкт об'єднав зусилля експериментальної групи професора фізики Мануеля Ендреса та теоретичної групи професора Джейсона Алісеа з Каліфорнійського технологічного інституту,
а також колег з Університету Париж-Сакле та Мюнхенського технічного університету.
Завдяки новітній технології квантового симулятора вчені вперше здійснили прямі вимірювання енергетичних рівнів у синтетичній квантовій матерії, передбачених конформною теорією поля Ізінга та трикритичною теорією Ізінга. Обидві теорії описують універсальну поведінку, що виникає в кристалічній або квантовій системі з ефектами заплутаності та суперпозиції при досягненні критичної точки між двома різними станами. На відміну від звичайних фазових переходів, як-от перетворення води на пару, цей перехід зумовлений не температурою, а виключно квантовими ефектами за температур, близьких до абсолютного нуля.
У критичній точці спеціально налаштовані лазери змушують систему переходити в послідовність чітко визначених енергетичних станів, які дослідники порівнюють зі сходинками. Протягом близько 40 років фізики використовували конформні теорії для теоретичного розрахунку відстаней між цими рівнями, однак на практиці ці прогнози ніколи раніше не вимірювали безпосередньо.
В основі експерименту лежить технологія масивів нейтральних атомів,
утримуваних у фіксованому положенні за допомогою високоточних оптичних пінцетів на основі сфокусованих лазерів.
Раніше ця лабораторія досягла вражаючого успіху, захопивши 6100 атомів в одному масиві. Для поточного експерименту дослідники розташували атоми стронцію в лінійний ланцюжок. За допомогою додаткових лазерів вони перевели атоми у сильно збуджені рідбергівські стани, в яких сусідні частинки починають дуже сильно взаємодіяти між собою.
У результаті ланцюжок почав функціонувати як єдине ціле, а не як сукупність ізольованих частинок. Налаштовуючи частоту лазерів, фізики досягли цільової критичної точки. Для фіксації енергетичних рівнів було розроблено метод багаточастинкової модуляційної спектроскопії. Змінюючи частоту лазерного випромінювання вздовж усього ланцюжка та вимірюючи силу реакції атомів, учені зафіксували резонансні піки — подібно до того, як мокрий палець, проведений по краю склянки, викликає резонанс на власній частоті.
Експерименти на ланцюжках із кількістю атомів до 35 продемонстрували повну відповідність результатам теорії конформного поля Ізінга: після масштабування за розміром спектри злилися в єдину універсальну криву. Успішне вимірювання низьких рівнів спектра підтвердило правильність теоретичних передбачень і відкрило нові горизонти для дослідження складніших двовимірних квантових систем.
Читайте також:
Не за течією. Вчені зафіксували рух лазерного променя проти потоку оптичної рідини
