В квантовом мире впервые зафиксировали универсальное поведение материи

Международная группа физиков из Калифорнийского технологического института, Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета провела первые прямые измерения универсального поведения квантовой материи в окрестности критической точки.

Исследователи не просто зафиксировали фазовый переход, но и детально измерили специфический спектр энергетических состояний, доказав его полное соответствие фундаментальным квантовым расчётам.

Критическая точка представляет собой рубеж смены фазового состояния вещества — подобно испарению воды в классической термодинамике. В квантовых средах подобная трансформация вызывается прецизионной регулировкой межатомных взаимодействий. Вблизи точки перехода проявляется эффект универсальности: индивидуальные параметры частиц отходят на второй план, а вся динамика системы начинает подчиняться общим законам, описываемым аппаратом конформной теории поля.

Для проведения опытов учёные разработали квантовый симулятор — установку, моделирующую поведение сложных квантовых сред с помощью индивидуально контролируемых частиц. Сфокусированные оптические пинцеты удерживали цепочку атомов стронция, которые затем переводились лазерами в высоковозбуждённые ридберговские состояния. Значительное удаление валентных электронов от ядер многократно усиливало межатомное взаимодействие, что позволило плавно подвести систему к квантовой критической точке.

Затем авторы выполнили картирование энергетической «лестницы» состояний посредством модуляционной спектроскопии: зондируя цепочку лазерным излучением различной частоты, они фиксировали резонансный отклик. Спектральные пики указали на квантовые переходы между уровнями, а расстояния между ними строго совпали с предсказаниями базовой и более сложной трикритической моделей Изинга.

Ключевым результатом работы стало определение универсальных пропорций между энергетическими уровнями, инвариантных для всех систем одного класса универсальности. Кроме того, физики продемонстрировали перестройку спектра при изменении граничных условий и изучили динамические корреляции в критической фазе.

Следующим этапом станет переход от одномерных цепочек к двумерным решёткам. В двух измерениях поведение квантовых критических систем чрезвычайно сложно рассчитать на суперкомпьютерах, поэтому управляемые атомные ансамбли станут незаменимым инструментом для изучения режимов, не имеющих строгого аналитического решения.

Источник: iXBT