4543
Фізики Каліфорнійського технологічного інституту вперше безпосередньо виміряли послідовність квантових енергетичних рівнів, яку конформна теорія поля передбачала ще близько сорока років тому. Ідеться про так звану універсальність — ситуацію, коли дуже різні фізичні системи поблизу критичної точки починають підкорятися однаковим математичним закономірностям. Раніше ці «сходинки» енергії існували переважно як теоретичний прогноз, а тепер їх вдалося побачити в керованому квантовому симуляторі.
Конформні теорії поля використовують для опису систем у критичних точках, де дрібні мікроскопічні деталі перестають бути визначальними. У звичайній фізиці знайомим прикладом критичної поведінки є фазовий перехід, але в новій роботі йдеться про квантовий перехід, який виникає не через температуру, а через взаємодії та квантові ефекти за температур, близьких до абсолютного нуля.
Дослідники перевірили одразу дві теоретичні моделі — конформну теорію поля Ізінга та трикритичну теорію Ізінга. Для цього вони створили масив нейтральних атомів стронцію й утримували кожен атом у заданій позиції за допомогою сфокусованих лазерних променів, так званих оптичних пінцетів. Потім атоми перевели у сильно збуджені рідбергівські стани, в яких сусідні частинки взаємодіють значно сильніше.
У результаті ланцюжок атомів почав поводитися як єдина колективна квантова система. Налаштовуючи частоту лазерів, фізики довели її до потрібної критичної точки, а потім застосували новий метод багаточастинкової модуляційної спектроскопії. Змінюючи частоту зовнішнього впливу та вимірюючи реакцію атомів, вони реєстрували резонансні піки, що відповідали окремим енергетичним рівням.
Експерименти провели на ланцюжках із кількістю атомів до 35. Після масштабування за розміром отримані спектри зійшлися в єдину універсальну криву й збіглися з прогнозами теорії Ізінга. Це стало прямою експериментальною перевіркою розрахунків, які десятиліттями використовувалися у квантовій теорії матерії.
Результат важливий не лише як підтвердження старої теорії. Такий підхід дозволяє використовувати квантові симулятори для вивчення систем, які майже неможливо точно розрахувати класичними методами. Наступним кроком можуть стати складніші двовимірні системи, де універсальна критична поведінка ще багатша.
