Undersøgelse viser, at den fine strukturkonstant for kvantespindis er stor

Kvantelektrodynamik (QED) er den grundlæggende kvante teori, der styrer opladningen af ​​ladede partikler og lys i vakuum. Styrken af ​​interaktionerne i QED kvantificeres ved den fine strukturkonstant α, som i vores univers er både uforanderlig og evig (α ~ 1/137). Små strukturkonstantens lillehed har vidtrækkende konsekvenser i den fysiske verden-den bestemmer antallet af stabile kemiske grundstoffer, muliggør langdistance, lysbaseret kommunikation, etc.

En af de store nylige indsigter inden for kondenseret fysik er, at QED-lignende teorier beskriver opførslen af ​​kvante-spin-is, en klasse af fraktionerede magneter. I stedet for at blive bestilt i et enkelt mønster, atomspins i disse systemer svinger i indviklede mønstre ned til de laveste målbare temperaturer. Den resulterende fase er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​magnetiske ladninger, som interagerer med lyslignende bølger i spin-baggrunden.

Forskere ved Boston University, Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme har for nylig udført en undersøgelse, der undersøger den fine strukturkonstant, der opstår i QED for kvantespinnis. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , viser, at i kvantespindis, denne grundlæggende konstant er stor, hvilket betyder, at disse magnetiske systemer kunne være ideelle til at studere fysiske fænomener, der stammer fra stærke partikelinteraktioner.

"Vi tænkte på mulige signaturer af den nye QED i kvantespinis og fandt ud af, at de mest markante signaturer involverede effekter af interaktioner mellem de fremkomne ladninger og fotoner, "Christopher R. Laumann og Siddhardh C. Morampudi, to af forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org via e -mail. "Vi indså derefter, at det grundlæggende dimensionsløse tal (den fremkomne fine struktur konstant), der karakteriserede styrken af ​​denne interaktion, endnu ikke var bestemt i noget tidligere arbejde, og tidligere værker havde kun fokuseret på at karakterisere lysets hastighed. "

Laumann, Morampudi og deres kolleger satte sig for at undersøge den fine strukturkonstant af kvante -spin -is, da de mente, at dette ville tilbyde en mere komplet karakterisering af deres QED. Observationen af ​​en relativt stor α -værdi var en behagelig overraskelse for dem, som sådan en værdi ville forbedre de interaktionsmedierede signaturer af det nye QED.

"Ved hjælp af stor nøjagtig diagonalisering til at opnå energiomkostningerne ved et elektrisk fluxrør, vi var i stand til at udtrække den elektriske ladning, "Laumann og Morampudi sagde." Dette gav os derefter mulighed for at komme fra gittermodellen til den lange bølgelængde, der opstod i QED i beregningsmæssigt tilgængelige systemer med endelig størrelse. "

De numeriske simuleringer udført af Laumann, Morampudi og deres kolleger er de første til at beregne den fine strukturkonstant i et spirende QED, specifikt en realiseret i kvantespindis. Teamet viste, at de i systemet simulerede, a-konstanten er typisk en størrelsesorden større end den fine strukturkonstant for sædvanlig QED. Ud over, de demonstrerede, at i kvante -spin -is kan konstanten indstilles hele vejen fra nul til den stærkeste kobling, som QED begrænser sig til.

"Konstruktionen af ​​den fine struktur for den sædvanlige QED er lille og fast, som den leveres af naturen, "Laumann og Morampudi sagde." At have en spirende QED med en stor og også afstembar finstrukturskonstant giver en god legeplads til forståelse af processer i QED, der er stærkt undertrykt på grund af den lille kobling. "

Et af de primære teoretiske redskaber til at studere kvantefeltteorier er forstyrrelsesteori. I løbet af de sidste årtier har imidlertid, mange forskere er begyndt at undersøge, hvad der sker med feltteorier ved stærk kobling, i tilfælde, hvor forstyrrelsesteori ikke er en særlig nyttig konstruktion.

"Dette har ført til en lang række ikke-forstyrrende værktøjer, hvis effektivitet kan testes, hvis vi har en eksperimentel legeplads til stærk kobling af QED i kvante-spin-is, "Laumann og Morampudi sagde." Vores arbejde identificerer også kvante-spin-is som et godt mål for kvantesimulatorer, der hurtigt udvikler sig, med løfte om at afdække interessant fysik med stærk kobling QED som en belønning. "

I de seneste år, et stigende antal fysikere er begyndt at foretage undersøgelser, der undersøger kvante -spin -is -kandidater, især pyrochlor af sjælden jord. Nogle af de kandidater, der blev identificeret i disse undersøgelser, kunne udvise yderligere interaktioner, der får systemerne til at blive ordnet, i stedet for at forblive i en kvante -spin væskefase. Den store fine strukturkonstant beregnet af Laumann, Morampudi og deres kolleger indebærer tilstedeværelsen af ​​betydelige interaktionsmedierede effekter, såsom en stor forbedring af det uelastiske neutronspredende tværsnit nær tærsklen.

"Der har været pirrende antydninger af den rigtige fysik i nogle af materialerne, men uorden og de små energiskalaer (begrænsende eksperimentel opløsning i eksempelvis neutronspredning) har hidtil været begrænsende faktorer, "Laumann og Morampudi sagde." I vores næste undersøgelser, vi planlægger at undersøge flere implikationer af den store fine strukturkonstant i potentielle realiseringer af kvantespindis, og skubbe mod simuleringer af dem i kortsigtede kvantecomputere. Vores håb er bedre at forstå, hvordan åbne spørgsmål i stærkt koblet QED potentielt kan besvares i sådanne indstillinger. "

© 2021 Science X Network