Физики используют теоретические и экспериментальные методы для разработки объяснений происходящего в природе. Несколько удивительно, что многие явления, такие как электрическая проводимость, могут быть объяснены с помощью относительно упрощенных математических представлений - моделей, которые были построены задолго до появления современных вычислений. Кроме того, в природе есть вещи, которые раздвигают границы даже высокопроизводительных вычислений и сложных экспериментальных инструментов. Компьютерам особенно сложно моделировать системы, состоящие из множества частиц, взаимодействующих друг с другом несколькими конкурирующими путями (например,грамм. заряд и движение). Тем не менее, некоторые из самых интригующих физических явлений происходят, когда поведение отдельных частиц уступает место возникающим коллективным свойствам. Одним из таких примеров является высокотемпературная сверхпроводимость, основной механизм которой до сих пор плохо изучен.
В стремлении лучше объяснить и даже использовать странное и удивительное поведение взаимодействующих квантовых систем, хорошо охарактеризованные и контролируемые атомарные газы появились в качестве инструмента для имитации поведения твердых тел. Это связано с тем, что физики могут использовать лазеры, чтобы заставить атомы в разбавленных квантовых газах действовать во многом подобно электронам в твердых телах. Есть надежда, что изучение той же физики в атомно-лазерной системе поможет ученым понять внутреннюю работу различных экзотических материалов.
Физики JQI во главе с Треем Порто интересуются квантовым магнитным упорядочением, которое, как считается, тесно связано с высокотемпературной сверхпроводимостью, а также имеет значение в других массивно связанных квантовых системах. Недавно группа исследовала магнитную и динамическую динамику атомов в специально разработанной на основе лазера решетке, которая выглядит как шахматная доска. Их работа была опубликована в журнале Science.
Чтобы спроектировать систему, которая могла бы вести себя как настоящий кусок материала, команда поместила ультрахолодный газ, содержащий около 1000 атомов рубидия, в двумерную оптическую решетку, которая представляет собой периодический массив долин и холмов, созданных пересекающимися лучи лазерного света. Атомы аналогичны электронам в твердом теле; геометрия решетки определяется рисунком лазерного луча. Глубину решетки можно точно отрегулировать, чтобы учесть определенные типы поведения атомов. Для этого исследования атомы могут перемещаться между узлами решетки посредством квантового туннелирования - это подвижный компонент. Во-вторых, можно представить, что каждый атом имеет ориентацию, подобную ориентации магнита, «вверх» и «вниз». Подобно магнитам, атомы при определенных условиях могут взаимодействовать, образуя упорядоченные структуры в решетке (например,грамм. вверх-вниз-вверх-вниз…).
Однако наблюдение за появлением таких магнитных состояний было сложной задачей, потому что эти конкретные фазы вещества обнаруживаются только тогда, когда атомы имеют чрезвычайно низкую энергию, которая здесь рассматривается как эффективная температура. Типичный ультрахолодный атомарный газ имеет температуру около 10-100 нанокельвинов. Чтобы увидеть магнитный порядок в оптической решетке, температура атомов должна быть в пикокельвины, то есть в 10-1000 раз ниже.
Эксперимент Порто использует другой подход - исследователи работают в неравновесном режиме, когда магнитную динамику можно индуцировать при более высоких, более податливых температурах. Хотя пугающие критерии пикокельвина остаются, авторы считают, что эта методология откроет новые пути для получения и изучения квантовой магнитной материи в более низкотемпературных, уравновешенных системах.
Команда использует новую решетку «шахматной доски», в которой они имеют полный контроль над различными сайтами; это дает им возможность изучать как двигательное, так и магнитное поведение атомов. Решетка состоит из двух управляемых подрешеток, обозначенных A и B, которые вместе образуют массив «двойных ячеек» (см. рисунок выше). Исследователи могут создать желаемый магнитный порядок, изменив относительную глубину подрешетки B по отношению к подрешетке A. Этот же механизм также используется для управления динамикой между ямами решетки. В начале эксперимента все атомные магниты инициализируются в ориентации «вверх» и захватываются двумерной равномерно глубокой оптической решеткой. Второй шаг - перевернуть атомы в решетке B «вниз»; это делает систему антиферромагнитно упорядоченной и неравновесной. Затем глубина подрешетки B внезапно изменяется в ходе маневра, называемого «гашением». По сути, гашение ударяет по системе, инициируя динамику через решетку. Атомные магниты переворачиваются вверх и вниз и туннелируют между узлами, релаксируя до конфигурации, которая в данном случае больше не намагничивается.
Этот эксперимент каким-то образом раскрывает потенциальную мощь квантовых симуляций, даже не зависящих от материаловедения. Порто объясняет: «Вот система атом-решетка, которую сложно точно рассчитать. Тем не менее, возможность продемонстрировать точный контроль над различными конкурирующими параметрами в такой системе, а также наблюдать за ее развитием во времени, может дать представление о лежащей в основе физике».
Ведущий автор Роджер Браун, в настоящее время научный сотрудник Национального исследовательского совета в NIST, Боулдер продолжает: «Наша относительно расширенная система в двух измерениях представляет интересную теоретическую проблему, поскольку численно точные методы недоступны, а традиционные аналитические теории требуют приближений. Таким образом, экспериментальные наблюдения могут быть полезны для выбора подходящих теорий».
Физики используют математические модели, такие как изучаемая здесь бозонная t-J модель, чтобы понять квантовые магниты. Таким образом, для ясности в этом выпуске новостей атомы названы «магнитами». На языке статьи в Science они называются «спины».