В лаборатории в Киото, Япония, исследователи работают над очень крутыми экспериментами. Группа ученых из Киотского университета и Университета Райса в Хьюстоне, штат Техас, охладила материю до миллиардных долей градуса от абсолютного нуля (температура, при которой прекращается всякое движение), что делает ее самой холодной материей во всей Вселенной. Исследование было опубликовано в сентябрьском номере журнала Nature Physics и "открывает портал в неизведанное царство квантового магнетизма", по словам представителей Университета Райса.
"Если только инопланетная цивилизация не проводит подобные эксперименты прямо сейчас, в любое время, когда этот эксперимент проводится в Киотском университете, он создает самые холодные фермионы во Вселенной", - заявил в пресс-релизе профессор Университета Райса Кейден Хаззард, соответствующий автор теории исследования и член Квантовой инициативы Райса. "Фермионы не являются редкими частицами. Они включают в себя такие вещи, как электроны, и являются одним из двух типов частиц, из которых состоит вся материя".
Разные цвета представляют шесть возможных спиновых состояний каждого атома. CREDIT: Image by Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice University Image by Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice UniversityКоманда из Киото под руководством автора исследования Йоширо Такахаси использовала лазеры для охлаждения фермионов (или частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны, спиновое квантовое число которых является нечетным полуцелым числом, например 1/2 или 3/2) атомов иттербия до уровня около одной миллиардной градуса от абсолютного нуля. Это примерно в 3 миллиарда раз холоднее, чем межзвездное пространство. Эта область космоса все еще нагревается космическим микроволновым фоном (CMB), или послесвечением излучения после Большого взрыва... около 13,7 миллиарда лет назад. Самой холодной известной областью космоса является туманность Бумеранг, температура которой на один градус выше абсолютного нуля и которая находится на расстоянии 3 000 световых лет от Земли.
Подобно электронам и фотонам, атомы подчиняются законам квантовой динамики, но их квантовое поведение становится заметным только тогда, когда они охлаждаются до долей градуса от абсолютного нуля. Лазеры уже более 25 лет используются для охлаждения атомов с целью изучения квантовых свойств ультрахолодных атомов.
"Польза от такого холода в том, что физика действительно меняется", - сказал Хаззард. "Физика начинает становиться более квантово-механической, и это позволяет увидеть новые явления".
В этом эксперименте лазеры использовались для охлаждения материи путем остановки движения 300 000 атомов иттербия внутри оптической решетки. Он имитирует модель Хаббарда - квантовую физику, впервые предложенную физиком-теоретиком Джоном Хаббардом в 1963 году. Физики используют модели Хаббарда для изучения магнитного и сверхпроводящего поведения материалов, особенно тех, где взаимодействие между электронами приводит к коллективному поведению,
Эта модель позволяет атомам демонстрировать свои необычные квантовые свойства, которые включают коллективное поведение между электронами (немного похоже на группу болельщиков, исполняющих "волну" на футбольном или футбольном матче) и сверхпроводимость, или способность объекта проводить электричество без потери энергии.
"Термометр, который они используют в Киото, является одной из важных вещей, предусмотренных нашей теорией", - сказал Хаззард. Сравнивая их измерения с нашими расчетами, мы можем определить температуру". Рекордная температура достигается благодаря новой забавной физике, связанной с очень высокой симметрией системы".
Модель Хаббарда, смоделированная в Киото, обладает особой симметрией, известной как SU(N). SU означает специальную унитарную группу, которая является математическим способом описания симметрии. N обозначает возможные спиновые состояния частиц в рамках модели.
Чем больше значение N, тем выше симметрия модели и сложность магнитного поведения, которое она описывает. Атомы иттербия имеют шесть возможных спиновых состояний, и симулятор в Киото впервые выявил магнитные корреляции в модели Хаббарда SU(6). Согласно исследованию, подобные вычисления невозможно рассчитать на компьютере.
"Это настоящая причина для проведения этого эксперимента", - сказал Хаззард. "Потому что мы очень хотим узнать физику этой модели SU(N) Хаббарда".
Аспирант исследовательской группы Хаззарда и соавтор исследования Эдуардо Ибарра-Гарсия-Падилья добавил, что модель Хаббарда призвана отразить самые основные компоненты, необходимые для того, чтобы сделать твердый материал металлом, изолятором, магнитом или сверхпроводником. "Один из интересных вопросов, который можно исследовать с помощью экспериментов, - это роль симметрии", - сказал Ибарра-Гарсия-Падилья. "Возможность создать ее в лаборатории - это необыкновенно. Если мы сможем понять это, это может помочь нам создать реальные материалы с новыми, желаемыми свойствами".
В настоящее время команда работает над созданием первых инструментов, способных измерить поведение, возникающее на миллиардную долю градуса выше абсолютного нуля.
"Эти системы довольно экзотические и особенные, но мы надеемся, что, изучив и поняв их, мы сможем определить ключевые ингредиенты, которые должны присутствовать в реальных материалах", - согласился Хаззард.