Учёные обнаружили универсальную закономерность в поведении квантовой материи
Учёные впервые напрямую измерили энергетические уровни квантовой материи, предсказанные двумя теориями конформного поля. Эксперимент подтвердил универсальные закономерности, которые описывают поведение квантовых систем в критической точке — состоянии перехода между двумя фазами.
Исследование провела международная группа физиков из Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Технического университета Мюнхена. Учёные использовали квантовый симулятор на основе атомов стронция, удерживаемых лазерами в оптических пинцетах.
В обычных фазовых переходах, например при кипении воды или размагничивании вещества, разные материалы могут начинать подчиняться одинаковым математическим закономерностям. Это свойство называют универсальностью: детали микроскопического устройства системы перестают иметь решающее значение, а её поведение определяется несколькими ключевыми параметрами.
Для описания такой универсальности в квантовых системах используется теория конформного поля. В новом эксперименте исследователи проверили предсказания двух её вариантов — теорий Изинга и трикритической теории Изинга.
Для этого учёные выстроили цепочку из атомов стронция и с помощью лазеров перевели их в высокоэнергетические ридберговские состояния. В таком состоянии соседние атомы начинают сильно взаимодействовать, поэтому вся цепочка ведёт себя как единая квантовая система.
Затем исследователи настроили параметры лазерного поля так, чтобы система оказалась в критической точке. В отличие от привычных фазовых переходов, этот переход определяется не температурой, а квантовыми эффектами и происходит при температурах, близких к абсолютному нулю.
В критическом состоянии систему можно возбуждать лазерным воздействием, переводя её на определённые энергетические уровни. Теория конформного поля предсказывает точные соотношения между этими уровнями, однако экспериментально измерить их непосредственно до сих пор не удавалось.
Для измерений команда использовала новый метод, получивший название спектроскопии модуляции многих тел. Учёные периодически изменяли параметры лазерного поля с определённой частотой и измеряли реакцию всей цепочки атомов. Когда частота воздействия совпадала с одной из собственных частот системы, её реакция усиливалась. Последовательно меняя частоту, исследователи смогли восстановить структуру энергетических уровней.
Эксперименты проводили с цепочками длиной до 35 атомов. После масштабирования результатов с учётом размера системы измеренные спектры совпали с единой универсальной кривой, предсказанной теорией конформного поля Изинга. Затем учёные перевели систему в трикритическую точку и измерили её низшие энергетические уровни, получив соотношения между ними, соответствующие предсказаниям трикритической теории Изинга.
Возможности квантового симулятора позволили исследователям провести дополнительные измерения. Поскольку отдельные атомы можно контролировать независимо, учёные смогли разделить возбуждения по их симметрии и обнаружить дополнительную группу энергетических уровней. Изменяя состояние атомов на концах цепочки, они также меняли структуру спектра и получали различные варианты, предсказываемые трикритической теорией Изинга.
В дальнейшем исследователи планируют перейти от одномерных цепочек к двумерным массивам атомов. Теория конформного поля в двух измерениях изучена значительно хуже, поэтому такие эксперименты могут позволить исследовать квантовые системы, для которых пока нет точных теоретических предсказаний.
Исследование в журнале Nature.