Физики впервые экспериментально измерили универсальное поведение квантовой материи
Международная группа физиков впервые экспериментально измерила универсальное поведение квантовой материи вблизи критической точки. Учёные из Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета подтвердили теоретические предсказания, которые десятилетиями оставались лишь расчётами.
Критическая точка — это граница, при переходе через которую система меняет своё состояние. В классической физике примером служит превращение воды в пар. В квантовых системах такой переход можно вызвать изменением параметров взаимодействия между частицами. Вблизи этой точки поведение системы становится универсальным: детали конкретного вещества отходят на второй план, и начинают действовать общие законы.
Для эксперимента исследователи создали квантовый симулятор, удерживая атомы стронция в ряд с помощью оптических пинцетов. Лазеры переводили атомы в ридберговские состояния, при которых внешний электрон находится далеко от ядра, а соседние атомы начинают сильно взаимодействовать. Настраивая параметры, учёные подводили цепочку к квантовой критической точке.
Команда разработала метод модуляционной спектроскопии: на цепочку воздействовали лазером разных частот и регистрировали отклик. Пики отклика указывали на переходы между энергетическими уровнями, что позволило измерить полную «лестницу» состояний. Расстояния между уровнями сравнили с теоретическими расчётами.
Результаты совпали с предсказаниями сразу двух моделей — Изинга и более сложной трикритической модели Изинга. Особенно важно, что удалось восстановить универсальные соотношения между энергетическими уровнями, которые должны сохраняться у разных физических систем одного класса универсальности.
Учёные также меняли граничные условия цепочки и наблюдали соответствующее изменение спектра. Дополнительный вариант эксперимента позволил изучить динамические корреляции критической системы.
Следующим шагом станет переход от одномерной цепочки к двумерным решёткам. В двух измерениях поведение квантовых критических систем гораздо сложнее рассчитывать на обычных компьютерах, поэтому управляемые атомные массивы помогут экспериментально исследовать режимы, для которых пока нет точного численного решения.
