Kwantumelektrodynamica (QED) is de fundamentele kwantumtheorie die het gedrag van geladen deeltjes en licht in vacuüm bepaalt. De sterkte van de interacties in QED wordt gekwantificeerd door de fijne structuurconstante α, die in ons universum zowel onveranderlijk als eeuwig is (α ~ 1/137). De kleinheid van de fijne structuurconstante heeft verstrekkende gevolgen in de fysieke wereld - het bepaalt het aantal stabiele chemische elementen, maakt lange afstanden mogelijk, op licht gebaseerde communicatie, enzovoort.

Een van de grote recente inzichten van de fysica van de gecondenseerde materie is dat QED-achtige theorieën het gedrag van kwantumspin-ijs beschrijven, een klasse van gefractioneerde magneten. In plaats van te worden besteld in een eenvoudig patroon, de atomaire spins in deze systemen fluctueren in ingewikkelde patronen tot aan de laagst meetbare temperaturen. De resulterende fase wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van magnetische ladingen die interageren met lichtachtige golven in de spinachtergrond.

Onderzoekers van de Universiteit van Boston, Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de fijne structuurconstante die naar voren komt in de QED van kwantumspin-ijs. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laat zien dat in kwantumspinijs, deze fundamentele constante is groot, wat betekent dat deze magnetische systemen ideaal zouden kunnen zijn voor het bestuderen van fysieke verschijnselen die voortkomen uit sterke deeltjesinteracties.

"We dachten na over mogelijke handtekeningen van de opkomende QED in kwantumspin-ijs en ontdekten dat de meest onderscheidende handtekeningen effecten van interacties tussen de opkomende ladingen en fotonen betroffen, " Christopher R. Laumann en Siddhardh C. Morampudi, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Toen realiseerden we ons dat het fundamentele dimensieloze getal (de opkomende fijnstructuurconstante) die de sterkte van deze interactie kenmerkt, nog niet was bepaald in eerder werk, en eerdere werken waren alleen gericht op het karakteriseren van de opkomende lichtsnelheid."

Laumann, Morampudi en hun collega's gingen op zoek naar de fijne structuurconstante van kwantumspin-ijs, omdat ze geloofden dat dit een meer complete karakterisering van hun QED zou bieden. De waarneming van een relatief grote α-waarde was voor hen een aangename verrassing, als een dergelijke waarde zou de interactie-gemedieerde handtekeningen van de opkomende QED verbeteren.

"Door grootschalige exacte diagonalisatie te gebruiken om de energiekosten van een elektrische fluxbuis te verkrijgen, we waren in staat om de elektrische lading te extraheren, Laumann en Morampudi zeiden. "Dit stelde ons vervolgens in staat om van het roostermodel naar de opkomende QED met lange golflengte te gaan in rekenkundig toegankelijke systemen met eindige grootte."

De numerieke simulaties uitgevoerd door Laumann, Morampudi en hun collega's zijn de eersten die de fijne structuurconstante berekenen in een opkomende QED, specifiek een gerealiseerd in kwantumspin-ijs. Het team toonde aan dat in het systeem dat ze simuleerden, de α-constante is typisch één orde van grootte groter dan de fijnstructuurconstante van de gebruikelijke QED. In aanvulling, ze toonden aan dat in kwantumspin-ijs de constante helemaal kan worden afgestemd van nul tot de sterkste koppeling waarmee QED zich beperkt.

"De fijnstructuurconstante van de gebruikelijke QED is klein en vast zoals voorzien door de natuur, Laumann en Morampudi zeiden. "Het hebben van een opkomende QED met een grote en ook afstembare fijnstructuurconstante biedt een mooie speelplaats voor het begrijpen van processen in QED die zwaar worden onderdrukt vanwege de kleine koppeling."

Een van de belangrijkste theoretische instrumenten voor het bestuderen van kwantumveldentheorieën is de storingstheorie. In de laatste paar decennia, echter, veel onderzoekers zijn begonnen te onderzoeken wat er gebeurt met veldtheorieën bij sterke koppeling, in gevallen waarin storingstheorie geen bijzonder bruikbare constructie is.

"Dit heeft geleid tot een breed scala aan niet-perturbatieve hulpmiddelen waarvan de effectiviteit kan worden getest als we een experimentele speeltuin hebben voor sterk koppelende QED in kwantumspin-ijs, Laumann en Morampudi zeiden. "Ons werk identificeert ook kwantumspin-ijs als een geweldig doelwit voor snel evoluerende kwantumsimulators, met de belofte van het ontdekken van interessante fysica van sterk gekoppelde QED als beloning."

In recente jaren, een groeiend aantal natuurkundigen is begonnen met het uitvoeren van onderzoeken naar kandidaten voor kwantumspinijs, bijzonder zeldzame-aarde pyrochloren. Sommige van de kandidaten die in deze onderzoeken zijn geïdentificeerd, kunnen aanvullende interacties vertonen die ervoor zorgen dat de systemen geordend worden, in plaats van in een kwantumspin vloeibare fase te blijven. De grote fijne structuurconstante berekend door Laumann, Morampudi en hun collega's suggereren de aanwezigheid van significante interactie-gemedieerde effecten, zoals een grote verbetering van de inelastische neutronenverstrooiingsdwarsdoorsnede nabij de drempel.

"Er zijn verleidelijke hints van de juiste fysica in sommige materialen, maar wanorde en de kleine energieschalen (beperkende experimentele resolutie in neutronenverstrooiing bijvoorbeeld) zijn tot nu toe beperkende factoren geweest, Laumann en Morampudi zeiden. "In onze volgende studies, we zijn van plan om meer implicaties te onderzoeken van de grote fijne structuurconstante in potentiële realisaties van kwantumspin-ijs, en duw in de richting van simulaties ervan in kwantumcomputers op korte termijn. Onze hoop is om beter te begrijpen hoe open vragen in QED met sterke koppeling mogelijk kunnen worden beantwoord in dergelijke situaties."

© 2021 Science X Network