Физици от Калифорнийския технологичен институт (Калтех) за първи път експериментално измериха енергийни нива, предсказани от квантовата теория на полето преди 40 години.

Когато материалите претърпяват сериозни промени (например, когато водата заври или когато магнитът загуби свойствата си) напълно различни системи могат да започнат да се държат според едни и същи математически правила. Физиците наричат това явление „универсалност“: хаотичните микроскопични детайли се изтриват и остават само няколко ключови характеристики. За описанието на такова поведение се използва математически апарат, известен като квантова теория на полето. В хода на експеримента изследователите за първи път директно измериха енергийните нива в синтетична квантова материя, предсказани от конформните теории на полето на Изинг и трикритичния Изинг. И двете теории описват универсалното поведение, което възниква, когато квантовата система със заплетеност и суперпозиция достигне критична точка между две състояния.

За разлика от обичайния фазов преход, например превръщането на водата в пара, този преход не се дължи на температурата той възниква изцяло поради квантови ефекти при температури, близки до абсолютната нула. В тази критична точка лазерите възбуждат системата в поредица от определени енергийни състояния, които изследователите сравняват със стъпала на стълба.

„Енергийните нива, предсказани от тези теории, са важни, защото съдържат задълбочена информация за самите теории.“

обяснява Джейсън Алисеа, професор по теоретична физика В продължение на около 40 години физиците са използвали конформни теории на полето за изчисляване на разстоянията между тези „стъпала“. Нивата трябва да се появяват в точни съотношения, но до този експеримент предсказанията никога не са били измервани директно.

За откриване на предсказаните енергийни нива е била разработена методика за многочастична модулационна спектроскопия. Изследователите леко са въздействали върху цялата атомна верига, променяйки лазерите на определена честота, и измерваха отговора на атомите. Сканирайки множество честоти и търсейки пикове на отклик, учените са успели да идентифицират различни енергийни нива. Принципът е подобен на това как влажен пръст, прекаран по ръба на чаша предизвиква резонанс при съвпадение със собствената честота на стъклото.

„Повторихме експеримента с вериги до 35 атома и стъпките се проявиха точно както предсказваше конформната теория на полето на Изинг: спектрите се сляха в една универсална крива след мащабиране според размера. След това се фокусирахме върху трикритичната точка и измерихме най-ниските нива на нейния спектър, които се проявиха в други съотношения, предсказани от теорията.“

казва Сянкай Сун, съавтор на изследването.

Тъй като учените са били в състояние да управляват всеки атом поотделно, те са успели да извършат измервания, които биха били много по-сложни при обикновени материали. Екипът класифицира възбужденията според тяхната симетрия, като откри втори набор от енергийни нива, скрит в първоначалното измерване. Те също така са променили поведението на атомите в краищата на веригата, което пренареди енергийната стълбица и създаде други модели, съвпадащи с предсказанията на трикритичната теория на Изинг.

„Въпреки че вярвахме във валидността на тези теории, важно е да имаме експериментално потвърждение – нещо, което може да се докосне и провери. Да видим как тези предсказания се потвърждават е прекрасно.“

казва Алисеа

Сега изследователите планират да разширят експериментите към по-големи квантови системи. Вместо да подреждат атомите само в линия, те се надяват да изследват техните решетки. Това може да позволи на учените да изследват квантови системи, чието поведение все още не може да бъде точно изчислено, включително задачи, които са твърде сложни за класическите компютри.