SU(N)-stoff er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn dyprom

Japanske og amerikanske fysikere har brukt atomer som er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn interstellart rom for å åpne en portal til et uutforsket rike av kvantemagnetisme.

“Med mindre en fremmed sivilisasjon gjør eksperimenter som disse akkurat nå, når som helst dette eksperimentet kjører ved Kyoto University, lager det de kaldeste fermionene i universet,” sa Rice Universitys Kaden Hazzard, tilsvarende teoriforfatter av en studie publisert i dag i Naturfysikk. “Fermioner er ikke sjeldne partikler. De inkluderer ting som elektroner og er en av to typer partikler som all materie er laget av.”

Et Kyoto-team ledet av studieforfatteren Yoshiro Takahashi brukte lasere for å kjøle ned fermionene sine, ytterbiumatomer, innenfor omtrent en milliarddel av en grad av absolutt null, den uoppnåelige temperaturen der all bevegelse stopper. Det er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn interstellare romsom fortsatt varmes opp av ettergløden fra Big Bang.

“Gevinsten av å bli så forkjølet er at fysikken virkelig endrer seg,” sa Hazzard. “Fysikken begynner å bli mer kvantemekanisk, og den lar deg se nye fenomener.”

Atomer er underlagt kvantedynamikkens lover akkurat som elektroner og fotoner, men deres kvanteatferd blir først tydelig når de avkjøles innenfor en brøkdel av en grad av absolutt null. Fysikere har brukt laserkjøling for å studere kvanteegenskapene til ultrakalde atomer i mer enn et kvart århundre. Lasere brukes både til å avkjøle atomene og begrense deres bevegelser til optiske gitter, 1D, 2D eller 3D lyskanaler som kan tjene som kvantesimulatorer som er i stand til å løse komplekse problemer utenfor rekkevidden av konvensjonelle datamaskiner.

Takahashis laboratorium brukte optiske gitter for å simulere en Hubbard-modell, en ofte brukt kvantemodell laget i 1963 av den teoretiske fysikeren John Hubbard. Fysikere bruker Hubbard-modeller for å undersøke den magnetiske og superledende oppførselen til materialer, spesielt de der interaksjoner mellom elektroner produserer kollektiv atferd, litt som de kollektive interaksjonene til jublende sportsfans som utfører “bølgen” på overfylte stadioner.

“Termometeret de bruker i Kyoto er en av de viktige tingene gitt av vår teori,” sa Hazzard, førsteamanuensis i fysikk og astronomi og medlem av Rice Quantum Initiative. “Sammenligner målingene deres med våre beregninger, kan vi bestemme temperaturen. Den rekordsettende temperaturen oppnås takket være morsom ny fysikk som har å gjøre med den svært høye symmetrien til systemet.”

Hubbard-modellen simulert i Kyoto har spesiell symmetri kjent som SU(N), der SU står for spesiell enhetlig gruppe – en matematisk måte å beskrive symmetrien på – og N angir de mulige spinntilstandene til partikler i modellen. Jo større verdien av N er, desto større er modellens symmetri og kompleksiteten til magnetisk oppførsel den beskriver. Ytterbium-atomer har seks mulige spinntilstander, og Kyoto-simulatoren er den første som avslører magnetiske korrelasjoner i en SU(6) Hubbard-modell, som er umulig å beregne på en datamaskin.

“Det er den virkelige grunnen til å gjøre dette eksperimentet,” sa Hazzard. “Fordi vi dør etter å vite fysikken til denne SU(N) Hubbard-modellen.”

Studiemedforfatter Eduardo Ibarra-García-Padilla, en doktorgradsstudent i Hazzards forskningsgruppe, sa at Hubbard-modellen tar sikte på å fange opp de minimale ingrediensene for å forstå hvorfor faste materialer blir metaller, isolatorer, magneter eller superledere.

“Et av de fascinerende spørsmålene som eksperimenter kan utforske er rollen til symmetri,” sa Ibarra-García-Padilla. “Å ha evnen til å konstruere det i et laboratorium er ekstraordinært. Hvis vi kan forstå dette, kan det veilede oss til å lage ekte materialer med nye, ønskede egenskaper.”

Teamet til Takahashis viste at det kunne fange opptil 300 000 atomer i 3D-gitteret. Hazzard sa at nøyaktig beregning av oppførselen til selv et dusin partikler i en SU(6) Hubbard-modell er utenfor rekkevidden til de kraftigste superdatamaskinene. Kyoto-eksperimentene gir fysikere en sjanse til å lære hvordan disse komplekse kvantesystemene fungerer ved å se dem i aksjon.

Resultatene er et stort skritt i denne retningen, og inkluderer de første observasjonene av partikkelkoordinering i en SU(6) Hubbard-modell, sa Hazzard.

“Akkurat nå er denne koordineringen kortdistanse, men etter hvert som partiklene avkjøles ytterligere, kan det dukke opp subtile og mer eksotiske faser av materie,” sa han. “Noe av det interessante med noen av disse eksotiske fasene er at de ikke er ordnet i et åpenbart mønster, og de er heller ikke tilfeldige. Det er korrelasjoner, men hvis du ser på to atomer og spør: “Er de korrelert?” du vil ikke se dem. De er mye mer subtile. Du kan ikke se på to eller tre eller til og med 100 atomer. Du må liksom se på hele systemet.”

Fysikere har ennå ikke verktøy som er i stand til å måle slik oppførsel i Kyoto-eksperimentet. Men Hazzard sa at arbeidet allerede er i gang for å lage verktøyene, og Kyoto-teamets suksess vil stimulere til denne innsatsen.

“Disse systemene er ganske eksotiske og spesielle, men håpet er at ved å studere og forstå dem, kan vi identifisere nøkkelingrediensene som må være der i ekte materialer,” sa han.

---

---