Физики приблизились к обнаружению почти неподвижных квантовых частиц

Физики сделали важный шаг к экспериментальному обнаружению фрактонов — необычных квазичастиц, которые в отличие от большинства известных квантовых возбуждений практически не способны самостоятельно перемещаться. Исследователи из Helmholtz-Zentrum Berlin и их коллеги показали с помощью численного моделирования, что состояние вещества с такими возбуждениями может возникать в сравнительно простой и более реалистичной квантовой модели твёрдого тела. Результат может приблизить создание экспериментальных систем, в которых существование фрактонов удастся проверить непосредственно.

Фрактон — это не элементарная частица вроде электрона или фотона. Это квазичастица, возникающая из коллективного поведения большого количества взаимодействующих квантовых объектов. Подобные квазичастицы широко используются в физике конденсированного состояния: например, колебания атомов в кристаллической решётке описываются как фононы.

Однако фрактоны обладают крайне необычным свойством. Они могут оказаться практически неподвижными. Перемещение отдельного фрактона ограничено законами сохранения, возникающими внутри экзотической квантовой системы. В некоторых случаях для того, чтобы такой объект смог изменить положение, необходимо участие других возбуждений. Именно эта ограниченная подвижность делает фрактоны особенно интересными для фундаментальной физики и потенциальных квантовых технологий.

Теоретически подобное поведение связано с так называемыми калибровочными теориями более высокого ранга. В обычной электродинамике электрический заряд может свободно перемещаться, если соблюдается закон сохранения заряда. В рассматриваемых фрактонных системах возникают дополнительные ограничения, в частности сохранение дипольного момента. Следствием становится необычная ситуация: отдельный заряд — фрактон — теряет возможность свободно двигаться.

Физики уже некоторое время предполагают, что фрактоны могут возникать в так называемых квантовых спиновых жидкостях. Несмотря на название, речь идёт не о жидкости в привычном смысле. Это особое состояние магнитного материала, в котором квантовые спины даже при очень низкой температуре не образуют обычную упорядоченную магнитную структуру. Вместо этого система сохраняет сильные квантовые корреляции и может порождать необычные коллективные возбуждения.

Проблема состояла в том, что теоретические модели фрактонов часто были слишком искусственными для непосредственной реализации в настоящем материале. Для существования нужной фазы требовались сложные взаимодействия между множеством спинов, которые трудно получить экспериментально. В более простых моделях квантовые эффекты либо разрушали фрактонное состояние, либо оставляли только его классический аналог.

Команда Нильса Ниггеманна, Мегхадипы Адхикари, Янника Шаден-Тилльманна и Йоханнеса Ройтера рассмотрела двумерную квадратную решётку со спином 1 и исследовала её с помощью метода Монте-Карло для функций Грина. Такой подход позволяет численно изучать сложные квантовые системы и получать характеристики их основного состояния с контролируемой погрешностью.

В модели исследователи обнаружили характерные признаки безщелевой фрактонной квантовой спиновой жидкости. Рассчитанный магнитный отклик практически точно соответствовал предсказаниям калибровочной теории U(1) второго ранга — именно той математической структуры, которая описывает появление неподвижных фрактонных возбуждений.

Одним из важных признаков стали характерные структуры в корреляциях спинов в импульсном пространстве. Их форма совпала с ожидаемой для фрактонной фазы. Кроме того, расчёты показали появление безщелевых коллективных возбуждений, которые авторы называют эмерджентными фотонами. Это не обычные фотоны света, а коллективные квантовые возбуждения материала, математическое поведение которых напоминает поведение фотонов в электродинамике.

Особенно необычно то, что такая структура появилась в системе с двумя пространственными измерениями. Авторы отмечают, что существование подобных безщелевых фотоноподобных возбуждений в пространстве 2+1 измерений ранее считалось проблематичным из-за квантовых эффектов, способных разрушить соответствующую фазу. Однако численное моделирование не показало признаков такого разрушения в исследованной области параметров.

Результат пока не означает, что физики обнаружили реальные фрактоны в экспериментальном материале. Исследование является теоретическим и основано на численной модели. Его значение заключается в другом: учёным удалось показать сравнительно простой квантовый механизм, способный поддерживать состояние с признаками фрактонной физики.

Теперь исследователям необходимо найти или создать физическую систему, которая воспроизводила бы свойства модели. Одним из перспективных вариантов авторы называют квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. В таких установках отдельными атомами можно управлять лазерами и создавать заданные взаимодействия между ними, фактически конструируя искусственный квантовый материал. Это может позволить экспериментально проверить предсказания новой модели.

Интерес к фрактонам связан не только с фундаментальной физикой. Их крайне ограниченная подвижность теоретически может оказаться полезной для хранения квантовой информации. Одна из главных проблем квантовых вычислений заключается в том, что квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям и ошибкам. Если информация кодируется в возбуждениях, которым физически трудно перемещаться и распространять ошибки по системе, она потенциально может оказаться более устойчивой.

До практического использования фрактонов в квантовых компьютерах ещё далеко. Сначала необходимо показать, что соответствующая фаза действительно может существовать в экспериментально реализуемой системе, научиться создавать фрактоны и непосредственно измерять их необычную динамику.

Тем не менее новая модель сокращает разрыв между абстрактной теорией и возможным экспериментом. Если предсказанную фазу удастся воспроизвести с помощью ридберговских атомов или подходящего квантового материала, физики смогут впервые непосредственно изучить квазичастицы, для которых неподвижность является не препятствием, а фундаментальным свойством квантового мира.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.