HOUSTON – (1. september 2022) – Japanske og amerikanske fysikere har brukt atomer som er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn det interstellare rommet 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 Hazzardtilsvarende teoriforfatter av enstudere 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 studieforfatter Yoshiro Takahashi brukte lasere for å kjøle ned fermionene sine, ytterbiumatomer, innenfor omtrent en milliarddel av absolutt null, den uoppnåelige temperaturen der all bevegelse stopper. Det er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn det interstellare rommet, som fortsatt er det 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 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 gitter1D, 2D eller 3D lyskanaler som kan tjene som kvantesimulatorer i stand til å løse komplekse problemer utenfor rekkevidden til konvensjonelle datamaskiner.
Takahashis laboratorium brukte optiske gitter for å simulere en Hubbard modellen ofte brukt kvantemodell laget i 1963 av teoretisk fysiker John Hubbard. Fysikere bruker Hubbard-modeller for å undersøke den magnetiske og superledende oppførselen til materialer, spesielt de der interaksjoner mellom elektroner produserer kollektiv oppførsellitt som de kollektive interaksjonene mellom jublende sportsfans som utfører «bølgen» på overfylte stadioner.
“Termometret de bruker i Kyoto er en av de viktige tingene som tilbys 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 rekordhøye 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 det mulige spinn tilstander av 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.”
Studie medforfatter Eduardo Ibarra-Garcia-Padillaen 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 lede 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.
Medforfattere av studien inkluderer Shintaro Taie, Naoki Nishizawa og Yosuke Takasu fra Kyoto, Hao-Tian Wei fra både Rice og Fudan University i Shanghai, Yoshihito Kuno fra University of Tsukuba i Ibaraki, Japan, og Richard Scalettar fra University of California, Davis.
Forskningen ved Rice ble støttet av Welch Foundation (C-1872) og National Science Foundation (1848304).
- Fagfellevurdert papir
-
“Observasjon av antiferromagnetiske korrelasjoner i en ultrakald SU(N) Hubbard-modell” | Naturfysikk | DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6
Shintaro Taie, Eduardo Ibarra-García-Padilla, Naoki Nishizawa, Yosuke Takasu, Yoshihito Kuno, Hao-Tian Wei, Richard Scalettar, Kaden Hazzard og Yoshiro Takahashi
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6
- Nedlasting av bilder
-
https://news-network.rice.edu/news/files/2022/06/0711_COLDEST-Fit6h-lg.jpg
TEKST: Teoretiske fysikere fra Rice University (fra venstre) Eduardo Ibarra-García-Padilla, Kaden Hazzard og Hao-Tian Wei samarbeider med eksperimentelle fysikere ved Kyoto-universitetet i Japan for å studere uutforskede kvantemagneter ved hjelp av universets kaldeste fermioner. (Foto: Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2022/06/0711_COLDEST-Fit17v-lg.jpg
TEKST: Teoretiske fysikere fra Rice University (med klokken fra toppen) Kaden Hazzard, Hao-Tian Wei og Eduardo Ibarra-García-Padilla samarbeider med eksperimentelle fysikere ved Kyoto-universitetet i Japan for å studere uutforskede kvantemagneter ved hjelp av universets kaldeste fermioner. (Foto: Jeff Fitlow/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2022/08/0711_COLDEST-p3-lg.jpg
Bildetekst: En kunstners oppfatning av de komplekse magnetiske korrelasjonene fysikere har observert med en banebrytende kvantesimulator ved Kyoto-universitetet som bruker ytterbiumatomer som er omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn verdensrommet. Ulike farger representerer de seks mulige spinntilstandene til hvert atom. Simulatoren bruker opptil 300 000 atomer, slik at fysikere kan observere direkte hvordan partikler samhandler i kvantemagneter hvis kompleksitet er utenfor rekkevidden til selv den kraftigste superdatamaskinen. (Bilde av Ella Maru Studio /Med tillatelse fra K. Hazzard/Rice University)https://news-network.rice.edu/news/files/2022/08/0711_COLDEST-p4-lg.jpg
En kunstners oppfatning av de komplekse magnetiske korrelasjonene fysikere har observert med en banebrytende kvantesimulator ved Kyoto-universitetet som bruker ytterbium-atomer omtrent 3 milliarder ganger kaldere enn dype rom. Ulike farger representerer de seks mulige spinntilstandene til hvert atom. Simulatoren bruker opptil 300 000 atomer, slik at fysikere kan observere direkte hvordan partikler samhandler i kvantemagneter hvis kompleksitet er utenfor rekkevidden til selv den kraftigste superdatamaskinen. (Bilde av Ella Maru Studio /Med tillatelse fra K. Hazzard/Rice University) - Om Rice
-
Rice University ligger på en 300 mål stor skogkledd campus i Houston, og er konsekvent rangert blant landets 20 beste universiteter av US News & World Report. Rice har høyt respekterte skoler for arkitektur, næringsliv, videregående studier, ingeniørfag, humaniora, musikk, naturvitenskap og samfunnsvitenskap og er hjemmet til Baker Institute for Public Policy. Med 4 240 studenter og 3 972 hovedfagsstudenter, er Rices student-til-fakultet-forhold i underkant av 6-til-1. Dets boligskolesystem bygger tette samfunn og livslange vennskap, bare én grunn til at Rice er rangert som nr. 1 for mye rase/klasseinteraksjon og nr. 1 for livskvalitet av Princeton Review. Rice er også vurdert som en best verdi blant private universiteter av Kiplingers Personal Finance.