Bahan SU(N) adalah kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam

Konsepsi artis tentang korelasi magnetik kompleks yang telah diperhatikan oleh ahli fizik dengan simulator kuantum terobosan di Universiti Kyoto yang menggunakan atom ytterbium kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam. Warna yang berbeza mewakili enam keadaan putaran yang mungkin bagi setiap atom. Simulator menggunakan sehingga 300,000 atom, membolehkan ahli fizik memerhati secara langsung bagaimana zarah berinteraksi dalam magnet kuantum yang kerumitannya tidak dapat dicapai walaupun komputer super paling berkuasa. Kredit: Ella Maru Studio/ K. Hazzard/Rice University

Ahli fizik Jepun dan AS telah menggunakan atom kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang antara bintang untuk membuka portal ke alam magnet kuantum yang belum diterokai.

“Melainkan tamadun asing melakukan eksperimen seperti ini sekarang, bila-bila masa percubaan ini dijalankan di Universiti Kyoto ia akan membuat fermion paling sejuk di alam semesta,” kata Kaden Hazzard dari Universiti Rice, pengarang teori kajian yang sama yang diterbitkan hari ini dalam Fizik Alam Semula Jadi. “Fermion bukanlah zarah yang jarang berlaku. Ia termasuk perkara seperti elektron dan merupakan salah satu daripada dua jenis zarah yang semua jirim diperbuat daripada.”

Pasukan Kyoto yang diketuai oleh pengarang kajian Yoshiro Takahashi menggunakan laser untuk menyejukkan fermionnya, atom ytterbium, dalam kira-kira satu per bilion darjah sifar mutlak, suhu yang tidak boleh dicapai di mana semua gerakan berhenti. Itu kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang antara bintangyang masih dipanaskan oleh cahaya selepas Ledakan Besar.

“Hasil mendapat sejuk ini ialah fizik benar-benar berubah, ” kata Hazzard. “Fizik mula menjadi lebih mekanikal kuantum, dan ia membolehkan anda melihat fenomena baharu.”

Atom tertakluk kepada undang-undang dinamik kuantum sama seperti elektron dan foton, tetapi tingkah laku kuantumnya hanya menjadi jelas apabila ia disejukkan dalam pecahan darjah sifar mutlak. Ahli fizik telah menggunakan penyejukan laser untuk mengkaji sifat kuantum atom ultrasejuk selama lebih daripada suku abad. Laser digunakan untuk menyejukkan atom dan mengehadkan pergerakannya kepada kekisi optik, saluran cahaya 1D, 2D atau 3D yang boleh berfungsi sebagai simulator kuantum yang mampu menyelesaikan masalah kompleks di luar jangkauan komputer konvensional.

Makmal Takahashi menggunakan kekisi optik untuk mensimulasikan model Hubbard, model kuantum yang sering digunakan yang dicipta pada tahun 1963 oleh ahli fizik teori John Hubbard. Ahli fizik menggunakan model Hubbard untuk menyiasat kelakuan magnet dan superkonduktor bahan, terutamanya yang interaksi antara elektron menghasilkan tingkah laku kolektif, agak seperti interaksi kolektif peminat sukan bersorak yang melakukan “gelombang” di stadium yang sesak.

“Termometer yang mereka gunakan di Kyoto adalah salah satu perkara penting yang disediakan oleh teori kami,” kata Hazzard, profesor fizik dan astronomi bersekutu dan ahli Inisiatif Kuantum Beras. “Membandingkan ukuran mereka dengan pengiraan kami, kami boleh menentukan suhu. Suhu penetapan rekod dicapai berkat fizik baharu yang menyeronokkan yang mempunyai kaitan dengan simetri sistem yang sangat tinggi.”

Bahan SU(N) adalah kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam

Konsepsi artis tentang korelasi magnetik kompleks yang telah diperhatikan oleh ahli fizik dengan simulator kuantum terobosan di Universiti Kyoto yang menggunakan atom ytterbium kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam. Warna yang berbeza mewakili enam keadaan putaran yang mungkin bagi setiap atom. Simulator menggunakan sehingga 300,000 atom, membolehkan ahli fizik memerhati secara langsung bagaimana zarah berinteraksi dalam magnet kuantum yang kerumitannya tidak dapat dicapai walaupun komputer super paling berkuasa. Kredit: Ella Maru Studio/ K. Hazzard/Rice University

Model Hubbard yang disimulasikan di Kyoto mempunyai simetri khas yang dikenali sebagai SU(N), di mana SU bermaksud kumpulan unitari khas—cara matematik untuk menerangkan simetri—dan N menandakan kemungkinan keadaan putaran zarah dalam model. Lebih besar nilai N, lebih besar simetri model dan kerumitan tingkah laku magnet yang diterangkannya. Atom Ytterbium mempunyai enam kemungkinan keadaan putaran, dan simulator Kyoto adalah yang pertama mendedahkan korelasi magnet dalam model SU(6) Hubbard, yang mustahil untuk dikira pada komputer.

“Itulah sebab sebenar untuk melakukan eksperimen ini,” kata Hazzard. “Kerana kami sangat ingin mengetahui fizik model SU(N) Hubbard ini.”

Pengarang bersama kajian Eduardo Ibarra-García-Padilla, pelajar siswazah dalam kumpulan penyelidikan Hazzard, berkata model Hubbard bertujuan untuk menangkap bahan minimum untuk memahami mengapa bahan pepejal menjadi logam, penebat, magnet atau superkonduktor.

“Salah satu soalan menarik yang boleh diterokai oleh eksperimen ialah peranan simetri, ” kata Ibarra-García-Padilla. “Mempunyai keupayaan untuk merekayasanya di makmal adalah luar biasa. Jika kita dapat memahami perkara ini, ia boleh membimbing kita untuk membuat bahan sebenar dengan sifat baharu yang diingini.”

Pasukan Takahashi menunjukkan ia boleh memerangkap sehingga 300,000 atom dalam kekisi 3Dnya. Hazzard berkata pengiraan dengan tepat kelakuan walaupun sedozen zarah dalam model SU(6) Hubbard adalah di luar jangkauan superkomputer yang paling berkuasa. Eksperimen Kyoto menawarkan ahli fizik peluang untuk mempelajari cara sistem kuantum kompleks ini beroperasi dengan melihatnya dalam tindakan.

Hasilnya adalah langkah utama ke arah ini, dan termasuk pemerhatian pertama koordinasi zarah dalam model SU(6) Hubbard, kata Hazzard.

“Sekarang penyelarasan ini adalah jarak pendek, tetapi apabila zarah disejukkan lebih jauh, fasa jirim yang lebih halus dan lebih eksotik boleh muncul,” katanya. “Salah satu perkara yang menarik tentang beberapa fasa eksotik ini ialah ia tidak disusun dalam corak yang jelas, dan ia juga tidak rawak. Terdapat korelasi, tetapi jika anda melihat dua atom dan bertanya, ‘Adakah ia berkorelasi?’ anda tidak akan melihatnya. Mereka jauh lebih halus. Anda tidak boleh melihat dua atau tiga atau 100 atom. Anda perlu melihat keseluruhan sistem.”

Ahli fizik belum mempunyai alat yang mampu mengukur tingkah laku sedemikian dalam eksperimen Kyoto. Tetapi Hazzard berkata kerja sedang dijalankan untuk mencipta alatan, dan kejayaan pasukan Kyoto akan merangsang usaha tersebut.

“Sistem ini agak eksotik dan istimewa, tetapi harapannya ialah dengan mengkaji dan memahaminya, kita dapat mengenal pasti bahan utama yang perlu ada dalam bahan sebenar,” katanya.


Ahli fizik memanfaatkan elektron untuk membuat ‘dimensi sintetik’


Maklumat lanjut:
Shintaro Taie, Pemerhatian korelasi antiferromagnetik dalam model Hubbard SU(N) ultrasejuk, Fizik Alam Semula Jadi (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6

Disediakan oleh
Universiti beras


Petikan: Jirim SU(N) adalah kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam (2022, 1 September) diperoleh 1 September 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We wish to thank the writer of this article for this awesome web content

Bahan SU(N) adalah kira-kira 3 bilion kali lebih sejuk daripada ruang dalam


Our social media pages here and other pages on related topics here.https://paw6.info/related-pages/