SU(N)-stof er omkring 3 milliarder gange koldere end det dybe rum

Japanske og amerikanske fysikere har brugt atomer omkring 3 milliarder gange koldere end det interstellare rum til at åbne en portal til et uudforsket rige af kvantemagnetisme.

"Medmindre en fremmed civilisation laver eksperimenter som disse lige nu, når som helst dette eksperiment kører på Kyoto Universitet, laver det de koldeste fermioner i universet," sagde Rice Universitys Kaden Hazzard, tilsvarende teoriforfatter til en undersøgelse offentliggjort i dag i Naturfysik . "Fermioner er ikke sjældne partikler. De omfatter ting som elektroner og er en af ​​to typer partikler, som alt stof er lavet af."

Et Kyoto-hold ledet af undersøgelsesforfatteren Yoshiro Takahashi brugte lasere til at afkøle sine fermioner, ytterbium-atomer, inden for omkring en milliardtedel af en grad af det absolutte nulpunkt, den uopnåelige temperatur, hvor al bevægelse stopper. Det er omkring 3 milliarder gange koldere end det interstellare rum, som stadig opvarmes af eftergløden fra Big Bang.

"Gevinsten ved at blive så kold er, at fysikken virkelig ændrer sig," sagde Hazzard. "Fysikken begynder at blive mere kvantemekanisk, og den lader dig se nye fænomener."

Atomer er underlagt kvantedynamikkens love ligesom elektroner og fotoner, men deres kvanteadfærd bliver først tydelig, når de afkøles inden for en brøkdel af en grad af absolut nul. Fysikere har brugt laserkøling til at studere ultrakolde atomers kvanteegenskaber i mere end et kvart århundrede. Lasere bruges både til at afkøle atomerne og begrænse deres bevægelser til optiske gitter, 1D, 2D eller 3D lyskanaler, der kan tjene som kvantesimulatorer, der er i stand til at løse komplekse problemer uden for rækkevidde af konventionelle computere.

Takahashis laboratorium brugte optiske gitter til at simulere en Hubbard-model, en ofte brugt kvantemodel skabt i 1963 af den teoretiske fysiker John Hubbard. Fysikere bruger Hubbard-modeller til at undersøge materialers magnetiske og superledende adfærd, især dem, hvor interaktioner mellem elektroner frembringer kollektiv adfærd, lidt ligesom de kollektive interaktioner mellem jublende sportsfans, der udfører "bølgen" på overfyldte stadioner.

"Termometeret, de bruger i Kyoto, er en af ​​de vigtige ting, som vores teori giver," sagde Hazzard, lektor i fysik og astronomi og medlem af Rice Quantum Initiative. "Sammenligner vi deres målinger med vores beregninger, kan vi bestemme temperaturen. Den rekordsættende temperatur opnås takket være sjov ny fysik, der har at gøre med systemets meget høje symmetri."

Hubbard-modellen simuleret i Kyoto har speciel symmetri kendt som SU(N), hvor SU står for speciel enhedsgruppe – en matematisk måde at beskrive symmetrien på – og N angiver de mulige spin-tilstande for partikler i modellen. Jo større værdien af ​​N er, jo større er modellens symmetri og kompleksiteten af ​​magnetisk adfærd, den beskriver. Ytterbium-atomer har seks mulige spin-tilstande, og Kyoto-simulatoren er den første til at afsløre magnetiske korrelationer i en SU(6) Hubbard-model, som er umulige at beregne på en computer.

"Det er den virkelige grund til at gøre dette eksperiment," sagde Hazzard. "Fordi vi længes efter at kende fysikken i denne SU(N) Hubbard-model."

Studiets medforfatter Eduardo Ibarra-García-Padilla, en kandidatstuderende i Hazzards forskningsgruppe, sagde, at Hubbard-modellen sigter mod at fange de minimale ingredienser for at forstå, hvorfor faste materialer bliver til metaller, isolatorer, magneter eller superledere.

"Et af de fascinerende spørgsmål, som eksperimenter kan udforske, er symmetriens rolle," sagde Ibarra-García-Padilla. "At have evnen til at konstruere det i et laboratorium er ekstraordinært. Hvis vi kan forstå dette, kan det guide os til at lave rigtige materialer med nye, ønskede egenskaber."

Takahashis team viste, at den kunne fange op til 300.000 atomer i sit 3D-gitter. Hazzard sagde, at nøjagtig beregning af adfærden af ​​selv et dusin partikler i en SU(6) Hubbard-model er uden for rækkevidde af de mest kraftfulde supercomputere. Kyoto-eksperimenterne giver fysikere en chance for at lære, hvordan disse komplekse kvantesystemer fungerer ved at se dem i aktion.

Resultaterne er et stort skridt i denne retning og inkluderer de første observationer af partikelkoordination i en SU(6) Hubbard-model, sagde Hazzard.

"Lige nu er denne koordination kortdistanceret, men efterhånden som partiklerne afkøles endnu mere, kan der opstå subtile og mere eksotiske faser af stof," sagde han. "En af de interessante ting ved nogle af disse eksotiske faser er, at de ikke er ordnet i et åbenlyst mønster, og de er heller ikke tilfældige. Der er sammenhænge, ​​men hvis man ser på to atomer og spørger:'Er de korrelerede?' du vil ikke se dem. De er meget mere subtile. Du kan ikke se på to eller tre eller endda 100 atomer. Du er på en måde nødt til at se på hele systemet."

Fysikere har endnu ikke værktøjer, der er i stand til at måle sådan adfærd i Kyoto-eksperimentet. Men Hazzard sagde, at arbejdet allerede er i gang med at skabe værktøjerne, og Kyoto-holdets succes vil anspore disse bestræbelser.

"Disse systemer er ret eksotiske og specielle, men håbet er, at vi ved at studere og forstå dem kan identificere de vigtigste ingredienser, der skal være der i rigtige materialer," sagde han. + Udforsk yderligere

Fysikere udnytter elektroner til at lave 'syntetiske dimensioner'