Microscopul cu gaz cuantic dezvăluie atomi individuali într-un sistem Hubbard cu trei componente reglabile
O echipă internațională de cercetători din Germania, Thailanda, India, China și Statele Unite a realizat pentru prima dată în laborator un sistem Hubbard cu trei componente și cu interacțiuni reglabile. Pentru aceasta, echipa a folosit un microscop cu gaz cuantic, care a făcut vizibili atomii individuali. Studiul, publicat în revista Science, oferă o bază importantă pentru viitoarele simulări cuantice în fizica nucleară și în știința materialelor.
Dincolo de două stări de spin
Atomii ultrafrigi sunt adesea utilizați pentru a construi sisteme care seamănă cu cele din fizica stării solide. În acest context, atomii fermionici joacă rolul electronilor dintr-un solid. Sistemul este deosebit prin faptul că realizează un model Hubbard, unul dintre cele mai importante modele pentru descrierea interacțiunilor fermionilor pe o rețea. Această abordare este considerată deosebit de promițătoare pentru înțelegerea superconductivității la temperaturi înalte.
Modelul Hubbard standard consideră de obicei două stări de spin: spin în sus și spin în jos. O a treia componentă face sistemul semnificativ mai versatil, permițând cercetătorilor să investigheze faze cuantice mai bogate. „Deși modelul Hubbard este important și simplu de scris, nu este ușor de rezolvat. Teoreticienii se lovesc de modelul Hubbard cu două componente de decenii, iar încă există întrebări majore deschise. Adăugarea unei a treia componente reglabile ne permite să vedem cum reacționează modelul cu două componente la aceasta, ceea ce ne poate ajuta să răspundem la aceste întrebări majore”, a declarat Kaden Hazzard, profesor asociat de fizică și astronomie la Rice University și coautor al lucrării. „Experimentele sunt un teren de testare minunat pentru ideile teoretice. Sohail și cu mine am putut compara calcule numerice sofisticate cu experimentele, care sunt deja împinse la limitele capacităților noastre. Aceste comparații vor contribui la rafinarea instrumentelor noastre teoretice. Este o perioadă entuziasmantă și cu dezvoltare rapidă.”
Construirea și imagistica sistemului cu trei componente
Atomii ultrafrigi într-o rețea optică sunt o platformă excelentă pentru simulările cuantice. Atomii aflați în starea de energie cea mai joasă a rețelei formează un sistem cuantic în care tunelizează dintr-un sit al rețelei în altul, schimbându-și efectiv locurile. Fermionii identici nu pot ocupa aceeași locație, dar dacă fermioni distinctibili se întâlnesc într-o singură locație, apare o energie de interacțiune dependentă de câmpul magnetic.
În studiul actual, echipa condusă de Peter Schauss, care desfășoară cercetări la Universitatea din Hamburg și în Clusterul de Excelență „CUI: Advanced Imaging of Matter”, a realizat pentru prima dată un model Hubbard cu trei componente folosind atomi ultrafrigi cu interacțiuni reglabile. Echipa a urmărit, de asemenea, să detecteze stări și faze fundamentale în experiment. „A fost deosebit de important pentru noi să observăm o așa-numită stare Mott, în care interacțiunile suprimă dubla ocupare a siturilor”, a spus Schauss. În acest caz, interacțiunile puternice împiedică particulele să circule liber între siturile rețelei, ducând la un comportament izolator. În mod paradoxal, superconductivitatea la temperaturi înalte apare în apropierea stărilor Mott.
Cercetătorii au folosit un microscop cu gaz cuantic, care poate detecta fiecare atom individual cu rezoluție spațială. Utilizând atomi în diferite stări interne, experimentul a putut realiza diverse tipuri de fermioni, permițând echipei să folosească în cele din urmă trei stări distincte. Rezultă un sistem care, deși foarte diferit de electronii de pe o rețea cunoscuți din fizica stării solide, seamănă cu fizica nucleară, unde quarkurile pot avea trei culori diferite.
Atomi stabili dezvăluie corelații magnetice concurente
„S-a dovedit că realizarea experimentală este surprinzător de stabilă”, a spus Schauss. „De obicei, te temi că ciocnirile cu trei corpuri ar putea distruge rapid sistemul. În ciuda acestui pericol potențial, am reușit să efectuăm măsurătorile și să observăm un izolator Mott.”
În plus, cercetătorii au identificat multe alte faze. Acestea depind de puterea interacțiunilor dintre cele trei stări în fiecare caz. De exemplu, s-a constatat că în același sistem pot apărea atât corelații feromagnetice între două stări, cât și corelații antiferomagnetice între alte două. De asemenea, cercetătorii au dezvoltat o metodă de determinare a numărului de situri ale rețelei ocupate de trei ori. Valorile măsurate au fost în acord cu rezultatele calculelor numerice efectuate de colaboratorii de la Rice.
Cercetătorii intenționează să rafineze în continuare interacțiunile din modelul lor, astfel încât să poată studia în laborator modele de rețea ale cromodinamicii cuantice.
