Japońscy i amerykańscy fizycy wykorzystali atomy około 3 miliardy razy zimniejsze niż przestrzeń międzygwiezdna, aby otworzyć portal do niezbadanego królestwa magnetyzmu kwantowego.

„O ile obca cywilizacja nie przeprowadza teraz takich eksperymentów, to w każdym momencie eksperymentu na Uniwersytecie w Kioto powstają najzimniejsze fermiony we wszechświecie” – powiedział Kaden Hazzard z Uniwersytetu Rice, autor pracy opublikowanej w Nature Physics. „Fermiony nie są rzadkimi cząstkami. Obejmują 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 Takahashi użył laserów do schłodzenia swoich fermionów, atomów iterbu, w granicach około jednej miliardowej stopnia od zera absolutnego, nieosiągalnej temperatury, w której ustaje wszelki ruch. To około 3 miliardy razy zimniej niż przestrzeń międzygwiezdna, która wciąż jest ogrzewana przez blask po Wielkim Wybuchu.

„Korzyścią z uzyskania tak niskiej temperatury jest to, że fizyka naprawdę się zmienia” – powiedział Hazzard. „Fizyka zaczyna być bardziej kwantowo-mechaniczna, a to pozwala dostrzec nowe zjawiska”.

Atomy podlegają prawom dynamiki kwantowej tak samo jak elektrony i fotony, ale ich zachowania kwantowe stają się widoczne dopiero po schłodzeniu w granicach ułamka stopnia od zera absolutnego. Fizycy używają chłodzenia laserowego do badania kwantowych właściwości ultra-zimnych atomów od ponad ćwierć wieku. Lasery są używane zarówno do chłodzenia atomów, jak i ograniczania ich ruchów do siatek optycznych, 1D, 2D lub 3D kanałów światła, które mogą służyć jako symulatory kwantowe zdolne do rozwiązywania złożonych problemów poza zasięgiem konwencjonalnych komputerów.

Laboratorium Takahashi wykorzystało 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 nadprzewodnikowego zachowania materiałów, zwłaszcza tych, w których interakcje między elektronami wytwarzają zachowania zbiorowe, przypominające nieco zbiorowe interakcje kibiców sportowych, którzy wykonują „falę” na zatłoczonych stadionach.

„Termometr, którego używają w Kioto, jest jedną z ważnych rzeczy zapewnianych przez naszą teorię” – powiedział Hazzard, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii oraz członek Rice Quantum Initiative. „Porównując ich pomiary do naszych obliczeń, możemy określić temperaturę. Rekordowa temperatura została osiągnięta dzięki zabawie nową fizyką, która ma związek z bardzo wysoką symetrią układu.”

Model Hubbarda symulowany w Kioto ma specjalną symetrię znaną jako SU(N), gdzie SU oznacza special unitary group — matematyczny sposób opisu symetrii — a N oznacza możliwe stany spinowe cząstek w modelu. Im większa wartość N, tym większa symetria modelu i złożoność zachowań magnetycznych, które opisuje. Atomy iterbu mają sześć możliwych stanów spinowych, a symulator z Kioto jako pierwszy ujawnia korelacje magnetyczne w modelu SU(6) Hubbarda, które są niemożliwe do obliczenia na komputerze.

„To jest prawdziwy powód, aby przeprowadzić ten eksperyment” – powiedział Hazzard. „Ponieważ umieramy, aby poznać fizykę tego modelu SU(N) Hubbarda”.

Współautor badania Eduardo Ibarra-García-Padilla, student studiów magisterskich 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 eksperymenty mogą zbadać, jest rola symetrii”, powiedział Ibarra-García-Padilla. „Posiadanie zdolności do jej inżynierowania w laboratorium jest niezwykłe. Jeśli uda nam się to zrozumieć, może to nas poprowadzić do stworzenia prawdziwych materiałów o nowych, pożądanych właściwościach.”

Zespół Takahashi pokazał, że może uwięzić do 300 000 atomów w swojej sieci 3D. Hazzard powiedział, że dokładne obliczenie zachowania nawet kilkunastu cząstek w modelu SU(6) Hubbarda jest poza zasięgiem najpotężniejszych superkomputerów. Eksperymenty w Kioto dają fizykom szansę na poznanie działania tych złożonych układów kwantowych poprzez obserwowanie ich w akcji.

Wyniki stanowią duży krok w tym kierunku i obejmują pierwsze obserwacje koordynacji cząstek w modelu SU(6) Hubbarda, powiedział Hazzard.

„W tej chwili ta koordynacja jest krótkotrwała, ale w miarę jak cząstki są jeszcze bardziej schładzane, mogą pojawić się subtelniejsze i bardziej egzotyczne fazy materii” – powiedział. „Jedną z interesujących rzeczy o niektórych z tych egzotycznych faz jest to, że nie są one uporządkowane w oczywisty wzór, a także nie są przypadkowe. Istnieją korelacje, ale jeśli spojrzysz na dwa atomy i zapytasz: 'Czy są skorelowane?’, nie zobaczysz ich. Są one znacznie bardziej subtelne. Nie możesz spojrzeć na dwa, trzy lub nawet 100 atomów. W pewnym sensie musisz spojrzeć na cały system”.

Fizycy nie mają jeszcze narzędzi zdolnych do pomiaru takiego zachowania w eksperymencie w Kioto. Hazzard powiedział jednak, że trwają już prace nad stworzeniem takich narzędzi, a sukces zespołu z Kioto pobudzi te wysiłki.

„Te systemy są dość egzotyczne i wyjątkowe, ale mamy nadzieję, że badając i rozumiejąc je, możemy zidentyfikować kluczowe składniki, które muszą być obecne w prawdziwych materiałach” – powiedział.

Współautorzy badań to Shintaro Taie, Naoki Nishizawa i Yosuke Takasu z Kioto, Hao-Tian Wei z Rice i Fudan University w Szanghaju, Yoshihito Kuno z University of Tsukuba w Ibaraki w Japonii oraz Richard Scalettar z University of California, Davis.

Badania w Rice były wspierane przez Welch Foundation (C-1872) i National Science Foundation (1848304).

Źródło: Rice University. Jade Boyd