Физики впервые измерили энергетические ступени квантовой материи

Исследовательская группа под руководством профессора Мануэля Эндреса из Калифорнийского технологического института и профессора Джейсона Алисеа совместно с теоретиками из Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета впервые экспериментально подтвердила существование предсказанных уровней энергии в квантовых системах, соответствующих конформным теориям поля. Ученые использовали квантовые симуляторы на основе атомов стронция, удерживаемых лазерными пинцетами, и измерили энергетические спектры в точках квантовых фазовых переходов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Когда мы наблюдаем, как вода превращается в пар или как магнит теряет свою силу, мы видим обычные физические переходы. Но в мире квантовой физики подобные изменения могут происходить при температурах, близких к абсолютному нулю, и подчиняться не интуитивным законам, а строгим математическим симметриям. Удивительно, но в таких критических точках самые разные системы, состоящие из разных частиц и по-разному устроенные, начинают вести себя одинаково. Физики называют это универсальностью. Сложные детали исчезают, и остаются только самые важные черты, которые можно описать с помощью конформной теории поля, мощного математического аппарата, используемого как в физике элементарных частиц, так и в теории конденсированных сред.

Долгое время эти теории оставались по большей части умозрительными: исследователи умели рассчитывать предсказываемые ими энергетические уровни, но не имели возможности проверить их в реальном эксперименте. В новой работе команда ученых из США, Франции и Германии решила эту задачу, применив технологии, которые обычно служат для создания квантовых компьютеров.

Вместо вычислений они построили физическую модель, цепочку из атомов стронция, захваченных лазерными лучами, так называемыми оптическими пинцетами. Атомы возбуждали до высоких состояний, называемых ридберговскими, из-за чего соседние частицы начинали сильно взаимодействовать друг с другом. Вся цепочка вела себя как единое целое, а не как набор независимых частиц.

Затем ученые настраивали лазеры так, чтобы система оказалась в критической точке, на грани между более упорядоченным и менее упорядоченным состоянием. В этом положении, подобно ступеням лестницы, возникали разрешенные уровни энергии. Чтобы их измерить, исследователи применили специальный метод — многочастичную модуляционную спектроскопию. Суть его проста: они слегка «встряхивали» всю цепочку, меняя частоту лазеров, и следили за реакцией атомов. Когда частота совпадала с собственной частотой системы, возникал резонанс, как если провести мокрым пальцем по краю бокала и услышать чистый звук. Отмечая пики отклика, ученые шаг за шагом восстанавливали всю энергетическую лестницу.

Эксперимент проводился для двух разных теоретических моделей, так называемой теории Изинга и ее трикритического варианта. Обе описывают универсальное поведение квантовых систем, но предсказывают разные наборы энергетических соотношений. Исследователи повторили измерения для цепочек разной длины, до 35 атомов, и каждый раз, после масштабирования, спектры укладывались в единую универсальную кривую, точно совпадающую с теоретическими предсказаниями.

Более того, благодаря тому, что каждый атом можно было идентифицировать и управлять им индивидуально, команда смогла разделить возбуждения по их симметрии и даже изменить условия на концах цепочки. Каждое такое изменение приводило к новому рисунку уровней, который также предсказывала теория.

Это исследование важно не только как подтверждение давних теоретических построений. Оно демонстрирует, что квантовые симуляторы, созданные на основе технологий, развиваемых для квантовых вычислений, могут служить полноценным инструментом фундаментальной физики. Раньше ученые полагались на расчеты и косвенные данные. Теперь они могут буквально «потрогать» квантовую материю и измерить то, что раньше было доступно только на бумаге.

И что особенно вдохновляет, следующий шаг команда видит в переходе от одномерных цепочек к двумерным решеткам, где конформные теории поля изучены гораздо хуже, и где эксперимент может открыть совершенно новые явления, которые не поддаются даже самым мощным классическим компьютерам.

В итоге группа физиков под руководством Мануэля Эндреса и Джейсона Алисеа впервые экспериментально измерила энергетические спектры квантовых систем в точках фазовых переходов, предсказанные конформными теориями поля. Работа, опубликованная в Nature, открывает путь к изучению неизвестных классов универсальности, включая двумерные системы, недоступные для классических вычислений.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях