Физики обнаружили уникальное поведение материи на квантовом уровне

Эксперимент с ультрахолодными атомами стронция подтвердил предсказания модели Изинга, которые десятилетиями оставались лишь расчётами

Физики из Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета впервые провели экспериментальные измерения универсального поведения квантовой системы вблизи критической точки.

Учёные не только зафиксировали переход между двумя состояниями, но и измерили характерный набор энергетических уровней, продемонстрировав его соответствие предсказаниям квантовой теории.

Критическая точка — это граница, на которой система меняет своё состояние. В классической физике примером может служить переход воды в пар. В квантовых системах такой переход можно инициировать изменением параметров взаимодействия между частицами. При приближении к критической точке проявляется интересный эффект: детали конкретной системы становятся менее значимыми, и её поведение начинает соответствовать универсальным законам. Это свойство называется универсальностью, а математически его описывают конформные теории поля.

В рамках эксперимента исследователи создали квантовый симулятор — установку, позволяющую воспроизводить поведение сложной квантовой материи с использованием отдельных контролируемых атомов. Оптические пинцеты удерживали атомы стронция в ряд, после чего лазеры переводили их в ридберговские состояния. В этих состояниях внешний электрон значительно удалён от ядра, что приводит к сильному взаимодействию между соседними атомами. Настраивая параметры системы, физики приближали цепочку к квантовой критической точке.

После этого команда фактически измерила «лестницу» энергетических состояний системы. Для этого исследователи разработали метод модуляционной спектроскопии: на цепочку воздействовали лазерным излучением разных частот и фиксировали её реакцию. Пики отклика указывали на переходы между энергетическими уровнями, а расстояния между ними можно было сопоставить с теоретическими расчётами. Экспериментальные данные подтвердили предсказания двух моделей — Изинга и более сложной трикритической модели Изинга.

Особенно значимым результатом стало то, что исследователи смогли восстановить не только отдельные энергетические уровни, но и универсальные соотношения между ними. Эти соотношения должны сохраняться для различных физических систем, если они относятся к одному классу универсальности. Учёные также смогли изменять граничные условия цепочки и наблюдать соответствующие изменения спектра, а дополнительный вариант эксперимента позволил изучить динамические корреляции критической системы.

Теперь физики стремятся перейти от одномерной цепочки атомов к двумерным решёткам. В двух измерениях поведение многих квантовых критических систем значительно сложнее рассчитывать на традиционных компьютерах, поэтому управляемые атомные массивы могут стать способом экспериментального изучения режимов, для которых пока нет точного численного решения.