Коли матеріали зазнають суттєвих змін — наприклад, при кипінні води або втрати магнітом своїх властивостей, — різні системи можуть почати поводитися згідно з тими самими математичними законами.
"Фізики називають цю властивість універсальністю: складні мікроскопічні деталі нівелюються, і залишаються лише деякі ключові характеристики", — пояснює Джейсон Алісеа, професор теоретичної фізики (що займає іменну кафедру імені Вільяма К. Девіса).
Для опису такої універсальної поведінки фізики часто використовують математичний апарат, відомий як конформна теорія поля.
Квантові симулятори для перевірки фундаментальних фізичних принципів
У дослідженні, опублікованому в журналі Nature, вчені провели перші у своєму роді експерименти з двома різними конформними теоріями поля, використовуючи квантові симулятори. Ці спеціалізовані системи простіше за квантові комп'ютери загального призначення і призначені для відтворення конкретних квантових явищ.
У роботі взяли участь експериментальна група під керівництвом професора фізики Мануеля Ендреса з Калтеха (Каліфорнійського технологічного інституту), група теоретиків під керівництвом Алісеа, а також дослідники з Університету Париж-Саклі та Мюнхенського технічного університету.
Використовуючи нещодавно розроблену технологію квантового моделювання, вчені вперше провели прямі вимірювання енергетичних рівнів у синтетичній квантовій матерії, існування яких передбачалося конформними теоріями поля Ізінга та трикритичною моделлю Ізінга. (Назва «Ізінг» відсилає до фізика Ернста Ізінга, який у 1920-х роках вирішив завдання для однієї з ранніх моделей магнетизму.)
Обидві теорії описують універсальну поведінку, що виникає, коли квантова система, що має незвичайні властивості (такі як заплутаність і суперпозиція), досягає критичної точки між двома станами, один з яких більш впорядкований, ніж інший.
Квантовий переломний момент поблизу абсолютного нуля
На відміну від звичайного фазового переходу, наприклад, перетворення води на пару, цей перехід не викликаний зміною температури. Він виникає виключно завдяки квантовим ефектам при температурах, близьких до абсолютного нуля.
У цій критичній точці за допомогою лазерів систему можна перевести до ряду специфічних енергетичних станів. Вчені порівнюють ці рівні зі сходами.
"Енергетичні рівні, що передбачаються цими теоріями, важливі, оскільки вони містять фундаментальну інформацію про самі теорії", - зазначає Алісеа.
Вже близько 40 років фізики використовують конформні теорії поля для розрахунку відстаней між цими енергетичними ступенями. Очікується, що рівні співвідноситимуться один з одним у суворих пропорціях, проте до проведення даного експерименту ці передбачення не були підтверджені прямими вимірами. "Наші нові інструменти запозичені у платформ для квантових обчислень", — каже Сянкай Сунь, один із провідних авторів дослідження та аспірант лабораторії Ендреса. "За останні десять років вчені навчилися керувати такими системами, і тепер ми підійшли до етапу, коли ми можемо використовувати їх для фундаментальних фізичних досліджень."
Утримання атомів за допомогою лазерів
В основі експерименту лежить технологія, яку лабораторія Ендрес також застосовує для створення квантових комп'ютерів. Система базується на масивах нейтральних атомів, які утримуються на місці за допомогою сильно сфокусованих лазерних променів — оптичних пінцетів.
Раніше в цій же лабораторії на аналогічній платформі, що працює з нейтральними атомами, було досягнуто важливого досягнення: дослідникам вдалося зафіксувати 6100 атомів в одному масиві.
Хоча масиви оптичних пінцетів розроблялися переважно для потреб квантових обчислень, вчені застосували цю технологію для вивчення фундаментальної фізичної проблеми.
За допомогою оптичних пінцетів вони розташували атоми стронцію в ряд. Потім додаткові лазери перевели атоми на високозбуджені енергетичні рівні, відомі як ридбергівські стани. У таких станах сусідні атоми починають дуже сильно взаємодіяти один з одним.
В результаті цих взаємодій ланцюжок атомів став поводитися як єдине ціле, а не як набір окремих частинок. Після цього дослідники регулювали параметри лазерів до того часу, поки вся система не досягла критичної точки переходу, що вони прагнули вивчити.
Вимірювання прихованої енергетичної "драбини"
Для виявлення передбачуваних енергетичних рівнів дослідники розробили метод, який одержав назву "модуляційна спектроскопія багаточасткових систем".
Вони злегка збурювали весь ланцюг атомів, модулюючи параметри лазерного випромінювання з певною частотою, а потім вимірювали інтенсивність відгуку атомів. Скануючи діапазон частот та фіксуючи піки відгуку, дослідники змогли визначити різні енергетичні рівні.
Цей принцип нагадує витяг звуку з келиха для вина шляхом проведення вологим пальцем по краю. Коли частота руху збігається з частотою келиха, виникає резонанс і з'являється звук. На інших частотах помітного ефекту немає.
"Ми повторили експеримент із ланцюжками, що складаються з 35 атомів, і виявили, що енергетичні рівні ("сходи") розташовуються саме так, як передбачає конформна теорія поля Ізінга: після масштабування з урахуванням розміру системи спектри накладалися на єдину універсальну криву", — розповідає Сунь. "Потім ми налаштували систему на трикритичну точку та виміряли нижчі рівні відповідного спектру; їх співвідношення виявилися саме такими, як передбачає теорія."
Приховані закономірності, що виникають з окремих атомів
Оскільки вчені могли керувати кожним атомом окремо, їм вдалося провести вимірювання, які було б дуже складно здійснити з використанням традиційних матеріалів.
Команда класифікувала збудження за їхньою симетрією, виявивши другий набір енергетичних рівнів, який залишався прихованим при початкових вимірах.
Дослідники також змінили поведінку атомів на кінцях ланцюжка. Це призвело до перебудови енергетичних "сходів" і виникнення інших змін, відповідних прогнозам теорії трикритичної моделі Ізінга.
"Хоча ми й вважали ці теорії вірними, дуже важливо отримати експериментальне підтвердження — мати справу з реальним об'єктом, який можна вивчати та перевіряти на практиці", — зазначає Алісеа. "Бачити, як теоретичні передбачення втілюються в життя, це приголомшливо."
Нові горизонти квантового моделювання
Тепер дослідники планують розширити експерименти, перейшовши до більших квантових систем. Вони сподіваються вивчати як лінійні ланцюжки, так й двомірні решітки з атомів.
"У двовимірному випадку конформні теорії поля вивчені не настільки глибоко, тому можливості, що відкриваються, дуже цікаві", — говорить Сунь.
Це дозволить вченим дослідити квантові системи, поведінку яких поки що неможливо розрахувати з високою точністю, і, можливо, розв'язувати завдання, непосильні для класичних комп'ютерів.
"Мене особливо надихає те, що цей метод не вимагає знання відповіді заздалегідь. У цьому випадку ми змогли зіставити результати наших вимірів із точними теоретичними пророкуваннями", — каже Ендрес. "Наступний крок — застосувати цей підхід до систем, поведінка яких в кількісному вимірі поки що невідома, у тому числі до таких режимів, які недоступні для моделювання на класичних комп'ютерах."
