Изследователи от САЩ за първи път директно измериха енергийните нива, предсказани от теорията на Изинг и трикритичната конформна теория на полето, и потвърдиха изчисленията, направени преди десетки години. След като създадоха квантови симулатори, те наблюдаваха универсални модели на енергийните нива в изкуствена квантова материя при температури, близки до абсолютната нула.
През 1920-те години физикът Ернст Изинг предложи прост модел, описващ как атомите в магнитен материал се подреждат в една и съща посока. Този модел се превърна в класика, но по-сложните му варианти (например, трикритичният модел на Изинг) останаха теоретични конструкции, не можеха да бъдат проверени директно, защото за това са необходими системи, в които взаимодействията между частиците доминират над термичното движение, съобщава Quantum Zeitgeist.
Моделът на Изинг описва взаимодействието между съседните спинове в кристалната решетка. В най-простия случай всеки спин може да бъде насочен нагоре или надолу, а системата се стреми към състояние с минимална енергия. Трикритичният модел е обобщение, при което съществуват точки, в които се променя самият тип на фазовия преход (например, преход от първи ред се превръща в преход от втори ред). Тези модели принадлежат към класа на конформните теории на полето, които описват системи в точки, където мащабните инварианти имат универсален характер.
Закономерности отвъд класическата физика
Изследователи от Калифорнийския технологичен институт използваха масив от лазерни пинцети, за да задържат атоми на стронций в едномерна верига. След това те възбудиха атомите в състояния на Ридберг, състояния с високо главно квантово число, при които електронът се намира далеч от ядрото. В такива състояния радиусът на атома може да достигне микрони, което прави взаимодействието между съседните атоми много силно. При правилна настройка на лазерите веригата се държи като единна квантова система, подчиняваща се на модела на Изинг.
За да измерят енергийните нива на системата, учените приложиха нов метод: те леко „разклащаха“ веригата с лазери, променяйки параметрите на взаимодействието с малка амплитуда и на различни честоти.
Измервайки отговора на системата, те успяха да определят на кои честоти системата поглъща енергия, което съответстваше на преходите между енергийните нива. Спектрите, получени за вериги с различна дължина (до 35 атома), след мащабиране по размер „се сливаха“ в една универсална крива, точно както предсказваше теорията.
Освен това екипът изследва трикритичната точка на модела на Изинг, специален параметър, при който се пресичат линиите на фазовите преходи от първи и втори ред. Манипулирайки атомите в краищата на веригата, те „активираха“ допълнителни степени на свобода, които преди това бяха скрити. Измерванията показаха енергийни нива в съотношения, които теоретично бяха предсказани за трикритичната точка.
Резултатите, получени върху верига от 35 атома стронций, са приложими към огромен клас системи, от магнитни материали до ядрена материя.
В момента екипът възнамерява да премине от едномерни вериги към двумерни решетки. Това е значително по-сложно: в две измерения конформните теории на полето са по-малко проучени. В перспектива изследователите искат да приложат тази техника към системи, които не могат да бъдат моделирани на класически компютри, например към моделирането на високотемпературна свръхпроводимост или квантови фазови преходи в сложни материали.