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

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.