Теперь это практика. Физики впервые измерили предусмотренные квантовой теорией энергетические уровни

01-10-2026 16:02
news-image

Физики из Калифорнийского технологического института впервые экспериментально измерили квантовую энергетическую лестницу, предусмотренную теоретиками еще четыре десятилетия назад. Это открытие знаменует новый этап в изучении квантовой материи.

Когда материалы претерпевают существенные изменения (например, кипение воды или потеря магнитом его магнитных свойств) совершенно разные системы иногда начинают вести себя в соответствии с одинаковыми математическими правилами. Физики называют это явление универсальностью, когда мелкие микроскопические детали сглаживаются, а на первый план выходят только фундаментальные особенности. Для описания такого универсального поведенческого спектра ученые часто используют математическую модель, известную как конформная теория поля.

В масштабном исследовании, результаты которого опубликованы в научном журнале Nature, исследователи провели первые в своем роде эксперименты с использованием современных квантовых симуляторов для двух разных конформных теорий поля. Проект объединил усилия экспериментальной группы профессора физики Мануэля Эндреса и теоретической группы профессора Джейсона Алисеа из Калифорнийского технологического института, а также коллег из Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета.

Благодаря новейшей технологии квантового симулятора ученые впервые провели прямые измерения энергетических уровней в синтетической квантовой материи, предусмотренных конформной теорией поля Изинга и трехкритической теорией Изинга. Обе теории описывают универсальное поведение, возникающее в кристаллической или квантовой системе с эффектами запутанности и суперпозиции при достижении критической точки между двумя разными состояниями. В отличие от обычных фазовых переходов типа превращения воды в пар, этот переход обусловлен не температурой, а исключительно квантовыми эффектами при температурах, приближенных к абсолютному нулю.

В критической точке специально настроенные лазеры заставляют систему переходить в последовательность четко определенных энергетических состояний, которые исследователи сравнивают со ступенями лестницы. В течение примерно 40 лет физики использовали конформные теории для теоретического расчета расстояний между этими уровнями, однако на практике эти прогнозы никогда раньше не измерялись напрямую.

В основе эксперимента лежит технология массивов нейтральных атомов, содержащихся в фиксированном положении с помощью высокоточных оптических пинцетов на основе сфокусированных лазеров.

Ранее эта лаборатория добилась поразительного успеха, захватив 6100 атомов в одном массиве. Для текущего эксперимента исследователи расположили в линейную цепочку атомы стронция. С помощью дополнительных лазеров они перевели атомы в сильно возбужденные ридберговские состояния, где соседние частицы начинают очень сильно взаимодействовать между собой.

В результате цепочка начала функционировать как единое целое, а не как совокупность изолированных частиц. Настраивая частоту лазеров, физики достигли целевой критической точки. Для фиксации энергетических уровней был разработан метод многочастичной модуляторной спектроскопии. Изменяя частоту лазерного излучения по всей цепочке и измеряя силу реакции атомов, ученые зафиксировали резонансные пики — подобно тому, как мокрый палец, проведенный по краю стакана, вызывает резонанс на собственной частоте.

Эксперименты на цепочках с количеством атомов до 35 продемонстрировали полное соответствие результатов теории конформного поля Изинга: спектры объединились в единую универсальную кривую после масштабирования по размеру. Успешное измерение низких уровней спектра подтвердило правильность теоретических предвидений и открыло новые горизонты для изучения более сложных двухмерных квантовых систем.

Источник: НВ