Japanse en Amerikaanse natuurkundigen hebben atomen gebruikt die ongeveer 3 miljard keer kouder zijn dan de interstellaire ruimte om een ​​portaal te openen naar een onontgonnen gebied van kwantummagnetisme.

"Tenzij een buitenaardse beschaving op dit moment experimenten als deze doet, maakt het elke keer dat dit experiment aan de Universiteit van Kyoto wordt uitgevoerd de koudste fermionen in het universum", zegt Kaden Hazzard van Rice University, de corresponderende auteur van een studie die vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica . "Fermionen zijn geen zeldzame deeltjes. Ze bevatten zaken als elektronen en zijn een van de twee soorten deeltjes waaruit alle materie bestaat."

Een Kyoto-team onder leiding van studieauteur Yoshiro Takahashi gebruikte lasers om de fermionen, atomen van ytterbium, af te koelen tot ongeveer een miljardste van een graad van het absolute nulpunt, de onbereikbare temperatuur waarbij alle beweging stopt. Dat is ongeveer 3 miljard keer kouder dan de interstellaire ruimte, die nog steeds wordt opgewarmd door de nagloeiing van de oerknal.

"De uitbetaling van het krijgen van deze kou is dat de fysica echt verandert," zei Hazzard. "De fysica begint meer kwantummechanisch te worden, en het laat je nieuwe fenomenen zien."

Atomen zijn onderworpen aan de wetten van de kwantumdynamica, net als elektronen en fotonen, maar hun kwantumgedrag wordt pas duidelijk wanneer ze worden afgekoeld tot een fractie van een graad van het absolute nulpunt. Natuurkundigen gebruiken al meer dan een kwart eeuw laserkoeling om de kwantumeigenschappen van ultrakoude atomen te bestuderen. Lasers worden gebruikt om zowel de atomen te koelen als hun bewegingen te beperken tot optische roosters, 1D-, 2D- of 3D-lichtkanalen die kunnen dienen als kwantumsimulators die complexe problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van conventionele computers liggen.

Het laboratorium van Takahashi gebruikte optische roosters om een ​​Hubbard-model te simuleren, een veelgebruikt kwantummodel dat in 1963 werd gemaakt door theoretisch natuurkundige John Hubbard. Natuurkundigen gebruiken Hubbard-modellen om het magnetische en supergeleidende gedrag van materialen te onderzoeken, vooral die waar interacties tussen elektronen collectief gedrag produceren, een beetje zoals de collectieve interacties van juichende sportfans die "de golf" uitvoeren in drukke stadions.

"De thermometer die ze in Kyoto gebruiken, is een van de belangrijkste dingen die onze theorie biedt", zegt Hazzard, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en lid van het Rice Quantum Initiative. "Als we hun metingen vergelijken met onze berekeningen, kunnen we de temperatuur bepalen. De recordtemperatuur wordt bereikt dankzij leuke nieuwe fysica die te maken heeft met de zeer hoge symmetrie van het systeem."

Het in Kyoto gesimuleerde Hubbard-model heeft een speciale symmetrie die bekend staat als SU(N), waarbij SU staat voor speciale unitaire groep - een wiskundige manier om de symmetrie te beschrijven - en N de mogelijke spintoestanden van deeltjes in het model aangeeft. Hoe groter de waarde van N, hoe groter de symmetrie van het model en de complexiteit van het magnetische gedrag dat het beschrijft. Ytterbium-atomen hebben zes mogelijke spintoestanden en de Kyoto-simulator is de eerste die magnetische correlaties onthult in een SU(6) Hubbard-model, die onmogelijk op een computer te berekenen zijn.

"Dat is de echte reden om dit experiment te doen," zei Hazzard. "Omdat we dolgraag de fysica van dit SU(N) Hubbard-model willen leren kennen."

Studie co-auteur Eduardo Ibarra-García-Padilla, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Hazzard, zei dat het Hubbard-model de minimale ingrediënten wil vastleggen om te begrijpen waarom vaste materialen metalen, isolatoren, magneten of supergeleiders worden.

"Een van de fascinerende vragen die experimenten kunnen onderzoeken, is de rol van symmetrie," zei Ibarra-García-Padilla. "Het is buitengewoon om het in een laboratorium te kunnen ontwikkelen. Als we dit kunnen begrijpen, kan het ons leiden naar het maken van echte materialen met nieuwe, gewenste eigenschappen."

Takahashi's team toonde aan dat het tot 300.000 atomen in zijn 3D-rooster kon vangen. Hazzard zei dat het nauwkeurig berekenen van het gedrag van zelfs een dozijn deeltjes in een SU(6) Hubbard-model buiten het bereik ligt van de krachtigste supercomputers. De Kyoto-experimenten bieden natuurkundigen de kans om te leren hoe deze complexe kwantumsystemen werken door ze in actie te zien.

De resultaten zijn een belangrijke stap in deze richting en omvatten de eerste waarnemingen van deeltjescoördinatie in een SU(6) Hubbard-model, zei Hazzard.

"Op dit moment is deze coördinatie van korte duur, maar naarmate de deeltjes nog verder worden afgekoeld, kunnen subtielere en meer exotische fasen van materie verschijnen," zei hij. "Een van de interessante dingen van sommige van deze exotische fasen is dat ze niet in een duidelijk patroon zijn geordend, en ze zijn ook niet willekeurig. Er zijn correlaties, maar als je naar twee atomen kijkt en vraagt:'Zijn ze gecorreleerd?' je zult ze niet zien. Ze zijn veel subtieler. Je kunt niet naar twee of drie of zelfs 100 atomen kijken. Je moet eigenlijk naar het hele systeem kijken."

Natuurkundigen hebben nog geen tools die dergelijk gedrag in het Kyoto-experiment kunnen meten. Maar Hazzard zei dat er al werk aan de gang is om de tools te maken, en het succes van het Kyoto-team zal die inspanningen stimuleren.

"Deze systemen zijn behoorlijk exotisch en speciaal, maar de hoop is dat we door ze te bestuderen en te begrijpen, de belangrijkste ingrediënten kunnen identificeren die er in echte materialen moeten zijn," zei hij. + Verder verkennen

Natuurkundigen gebruiken elektronen om 'synthetische dimensies' te maken