Ph.d. -studerende opnår Higgs -tilstanden via dimensionel crossover i kvantemagneter

I 2013, François Englert og Peter Higgs vandt Nobelprisen i fysik for den teoretiske opdagelse af en mekanisme, der bidrager til vores forståelse af oprindelsen af ​​masse af subatomære partikler, som blev bekræftet ved opdagelsen af ​​den forudsagte grundpartikel af A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) og Compact Muon Solenoid (CMS) eksperimenterne ved The European Organization for Nuclear Research (CERN) 's Large Hadron Collider i 2012. Higgs -tilstanden eller Anderson-Higgs-mekanismen (opkaldt efter en anden nobelpristager Philip W Anderson), har udbredt indflydelse i vores nuværende forståelse af den fysiske lov for masse lige fra partikelfysik - den undvigende "gudpartikel" Higgs boson opdagede i 2012 til de mere velkendte og vigtige fænomener superledere og magneter inden for kondenseret fysik og kvantematerialeforskning.

Higgs -tilstanden, sammen med Goldstone -tilstand, skyldes spontan brud på kontinuerlige symmetrier i de forskellige kvantematerialesystemer. Imidlertid, anderledes end Goldstone -tilstand, som er blevet observeret bredt via neutronspredning og nuklear magnetisk resonansspektroskopi i kvantemagneter eller superledere, observation af Higgs -tilstanden i materialet er meget mere udfordrende på grund af dens sædvanlige overdæmpning, som også er ejendommen i sin partikelfysik fætter - den undvigende Higgs boson. For at svække disse dæmpninger, to veje er blevet foreslået fra den teoretiske side, gennem (1) kvantekritiske punkter og (2) dimensionel crossover fra høje dimensioner til lavere. For (1), mennesker har opnået flere bemærkelsesværdige resultater, der henviser til, at der er få succeser i (2).

For at opfylde dette vidensgab, fra 2020, Chengkang Zhou, derefter et første års ph.d. studerende, Dr. Zheng Yan og Dr. Zi Yang Meng fra Research Division for Physics and Astronomy ved University of Hong Kong (HKU), designet en dimensionel crossover -indstilling via koblede spin -kæder. De anvendte kvante Monte Carlo (QMC) simulering for at undersøge excitationsspektre af problemet. Samarbejde med Dr. Hanqing Wu fra Sun Yat-Sen University, Professor Kai Sun fra University of Michigan, og professor Oleg A Starykh fra University of Utah, de observerede tre forskellige former for kollektiv excitation i kvasi-1D-grænsen, herunder Goldstone -tilstand, Higgs -tilstand og skalar -tilstand. Ved at kombinere numeriske og analytiske analyser, de forklarede med succes disse ophidselser, og især afslørede den klare tilstedeværelse af Higgs-tilstanden i kvasi-1D-kvantemagnetiske systemer. Alle disse resultater kan ikke kun hjælpe med at finde materialets nøglemodelparametre, men også afsløre et billede af, hvordan dimension betyder noget i det kondenserede materiale. Disse forskningsresultater er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Baggrund

Kvantematerialer er indlejret i vores daglige liv, såsom forskellige elektroniske komponenter, computerchips, og solpaneler. Med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi, forståelsen og manipulationen af ​​de kvante mange-kropsinteraktioner i materialerne spiller en mere og mere vigtig rolle. En sådan tendens har allerede vist sit første tegn. For eksempel, 2D quantum moiré materialer, såsom den magiske vinkel snoet to -lags grafen, har tiltrukket megen opmærksomhed og viser deres nye præstationer i realiseringen af ​​superledning i kulstofbaserede i stedet for de traditionelle siliciumbaserede materialer. I øvrigt, quantum computer tech, som er baseret på teorien om superledelse og endda topologi udvikler sig hurtigt til at bygge mere effektive computerchips ud over Moores lov. Sammen med disse bestræbelser, forskningen om kvantemagneter er et af de vigtigste objekter, hvor påvisning af Higgs -tilstand og Goldstone -tilstande kan afsløre materialets underliggende modelparametre.

Imidlertid, da interaktionen mellem milliarder af elektroner skal overvejes, det er svært at påpege et klart billede af flere kvante mange-kropssystemer via kvantemekanik direkte. Derfor, numeriske metoder, såsom QMC -simulering, er blevet nyttige teknologier til at studere kvante mangekropssystemer. Disse numeriske metoder kan fortælle os nyttige oplysninger og egenskaber ved kvante mange-kropssystemer og vise mikromekanismen for disse systemer. Disse oplysninger ville stimulere udviklingen af ​​teorien samt styre det eksperimentelle design, hvilket ville hjælpe forskere og ingeniører med at finde ud af mere nye kvantematerialer og komponenter.

Higgs -tilstanden via dimensionel crossover

For at studere mikromekanismen i kvante mange-kropssystemer, numeriske fysikere kommer normalt med en simpel model baseret på teoretisk forståelse og eksperimentelle data. Derefter, de anvender numeriske simuleringsmetoder til at studere modellen i rimelige parametre -område. En sådan forskningsprocedure er blevet brugt i undersøgelsen af ​​Higgs -tilstanden i kvantemagneterne, alligevel er dens observation stadig udfordrende på grund af dens sædvanlige overdæmpningsfunktion. Fra den kvante-teoretiske side, forskere har foreslået to veje. Det første er gennem det kvantekritiske punkt. På denne vej, der er flere bemærkelsesværdige resultater, herunder signalet fra Higgs -tilstanden er blevet observeret i C ₉ H ₁₈ N ₂ CuBr ₄ . Men den anden vej, som er gennem den dimensionelle crossover mod 1D, er stadig fuld af blank og kræver mere undersøgelse, dels fordi det er svært at finde ud af et kvante mangekroppssystem med dimensionsreduktion. En sådan dimensionel reduktion svækker systemets rækkevidde over lange afstande og, derfor, hæmmer Higgs -tilstandens overdæmpningsfunktion. Forskergruppen fra The University of Hong Kong, Sun Yat-Sen University, University of Michigan og University of Utah formåede at opfylde disse emner ved numerisk at simulere en dimensionel crossover-kvante-spin-model, koblede spin -kæder (se graf 1).

Forskergruppen fandt på koblede spin -kæder -model ved at introducere interchain -interaktionen. Ved at reducere styrken af ​​disse interkæde -interaktioner (ændre værdien af ​​J⊥ i figur 1 mod 0), modellen ville ændre sig fra et 2D-system til et quasi-1D-system. Forskergruppen brugte QMC-metoden til at simulere modellen og udviklede en effektiv metode til at måle spin- og bindingskorrelationsfunktionerne. De observerede ikke kun Higgs -tilstanden via en dimensionel crossover, men fandt også skalarfunktionen, som forudsiges af sinus-Gordon-teorien. Disse resultater gør koblede spin -kæder til et attraktivt kandidatsystem til at studere kollektiv kvantedynamik teoretisk og eksperimentelt.

Higgs -tilstanden og skalarfunktionsspektret

Ved hjælp af Tianhe-II og III supercomputere, forskergruppen undersøgte de koblede spin-kæder i kvasi-1D-grænsen og observerede udviklingen af ​​spektret af Goldstone-tilstand (figur 2 (g) og (k)), Higgs -tilstand (graf 2 (h) og (l)), og skalarfunktionen (figur 2 (f) og (j)). Figur 2 viser de opnåede spektre fra QMC -simuleringerne, hvor den blå stiplede linje repræsenterer spredningsrelationen i henhold til kombinationen af ​​middelfeltteorien og sin-Gordon-teorimodellen. Som man kan se i figur 2, de numeriske resultater passer godt med den teoretiske forudsigelse, hvilket betyder, at forskerholdet har formået at fange signalet fra Higgs -tilstanden. Dette signal er meget nyttigt at designe tilsvarende eksperimenter for at observere Higgs -tilstanden via en dimensionel crossover, ligesom neutronspredning og nuklear magnetisk resonansspektroskopi. Sådanne spændende resultater vil også bidrage til vores forståelse af Higgs -tilstanden i dimensionsreduktion.

For at beskrive fremkomsten af ​​Higgs -tilstand og skalar -tilstand, forskergruppen skitserede også frekvensafhængigheden af ​​dem (se graf 3), hvor g er en faktor, der fortæller, hvor tæt modellen på quasi-1D er. Når g =1, de koblede spin -kæder er i et 2D -system, og med g =0, de koblede spin -kæder er i et 1D -system. Ved at sammenligne frekvensafhængigheden af ​​spektret med forskellige g, man kan finde en skarp top, der dukker op, når g reducerer, hvilket betyder, at signalerne fra Higgs -tilstanden og skalarfunktionen bliver stærkere og stærkere.

Det nye fysikfænomen via dimensionel crossover

Inden for rammerne af moderne fysik, symmetri og dimension er to af de vigtigste faktorer, der bestemmer egenskaberne ved kvantefysisk fysik. Og fænomenet forårsaget af dimensionsreduktion er et centralt emne i kvantemagnetiske systemer. Fundet af forskergruppen gav en attraktiv model og datastøtte, som hjælper os med at forstå, hvilken væsentlig rolle dimensionen spiller i vores verden og stimulere udviklingen af ​​næste generations kvantemateriale og komponenter.