Физики впервые увидели «универсальность» поведения 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 экспериментально измерили универсальное поведение квантовой системы вблизи критической точки.

Учёные не просто зафиксировали переход между двумя состояниями, а измерили характерный набор энергетических уровней и показали, что он соответствует предсказаниям квантовой теории.

Критическая точка — граница, на которой система переходит из одного состояния в другое. В классической физике примером может быть превращение воды в пар. В квантовых системах такой переход можно вызвать изменением параметров взаимодействия между частицами. При приближении к критической точке происходит интересный эффект: детали конкретной системы становятся менее важными, а её поведение начинает подчиняться общим законам. Это свойство называют универсальностью, а математически его описывают конформные теории поля.

Для эксперимента исследователи создали квантовый симулятор — установку, позволяющую воспроизводить поведение сложной квантовой материи с помощью отдельных контролируемых атомов. Оптические пинцеты удерживали в ряд атомы стронция, после чего лазеры переводили их в ридберговские состояния. В них внешний электрон находится значительно дальше от ядра, поэтому соседние атомы начинают сильно взаимодействовать. Настраивая параметры системы, физики подводили цепочку к квантовой критической точке.

Затем команда буквально измерила «лестницу» энергетических состояний системы. Для этого исследователи разработали метод модуляционной спектроскопии: на цепочку воздействовали лазерным излучением разных частот и регистрировали её ответ. Пики отклика указывали на переходы между энергетическими уровнями, а расстояния между ними можно было сравнить с теоретическими расчётами. Экспериментальные данные согласовались с предсказаниями двух моделей — Изинга и более сложной трикритической модели Изинга.

Особенно важным результатом стало то, что исследователи смогли восстановить не только отдельные энергетические уровни, но и универсальные соотношения между ними. Именно эти соотношения должны сохраняться у разных физических систем, если они принадлежат к одному классу универсальности. Учёные также смогли менять граничные условия цепочки и наблюдать соответствующее изменение спектра, а дополнительный вариант эксперимента позволил изучить динамические корреляции критической системы.

Теперь физики хотят перейти от одномерной цепочки атомов к двумерным решёткам. В двух измерениях поведение многих квантовых критических систем значительно сложнее рассчитывать на обычных компьютерах, поэтому управляемые атомные массивы могут стать способом экспериментально исследовать режимы, для которых пока нет точного численного решения.