Ερευνητές από το Caltech και άλλα ιδρύματα πραγματοποίησαν τα πρώτα πειράματα σε δύο διαφορετικές θεωρίες συμμορφικού πεδίου, χρησιμοποιώντας κβαντικούς προσομοιωτές. Οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν προβλέψεις για τα επίπεδα ενέργειας της κβαντικής ύλης.
Το φαινόμενο συνδέεται με την έννοια της καθολικότητας, σύμφωνα με την οποία διαφορετικά υλικά μπορούν, όταν βρίσκονται στο όριο μιας μετάβασης φάσης, να παρουσιάζουν την ίδια συμπεριφορά ανεξάρτητα από τις μικροσκοπικές τους λεπτομέρειες.
Κβαντική ύλη: Ατομικές αλυσίδες ως κβαντικοί προσομοιωτές
Η ομάδα χρησιμοποίησε άτομα στροντίου παγιδευμένα σε μια γραμμή με οπτικές λαβίδες λέιζερ. Τα άτομα διεγέρθηκαν σε καταστάσεις Rydberg, στις οποίες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών ατόμων γίνονται ιδιαίτερα ισχυρές.
Με την κατάλληλη ρύθμιση των λέιζερ, η αλυσίδα οδηγήθηκε σε ένα κρίσιμο σημείο όπου εμφανίζεται καθολική κβαντική συμπεριφορά. Οι ερευνητές μελέτησαν τόσο την Ising όσο και την τρικρίσιμη Ising θεωρία συμμορφικού πεδίου.
Μια κβαντική σκάλα ενέργειας
Για να μετρήσουν τα επίπεδα ενέργειας, χρησιμοποίησαν μια νέα τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία διαμόρφωσης πολλών σωμάτων. Μετέβαλλαν ελεγχόμενα τη συχνότητα των λέιζερ και παρατηρούσαν πότε η ατομική αλυσίδα παρουσίαζε ισχυρή απόκριση.
Τα αποτελέσματα από αλυσίδες έως και 35 ατόμων συμφωνούσαν με τις θεωρητικές προβλέψεις. Όταν τα δεδομένα επανακλιμακώθηκαν σύμφωνα με το μέγεθος του συστήματος, τα φάσματα κατέρρευσαν σε μία κοινή καθολική καμπύλη.
Ένα νέο εργαλείο για την κβαντική φυσική
Η δυνατότητα ελέγχου κάθε ατόμου ξεχωριστά επέτρεψε επίσης στους ερευνητές να διαχωρίσουν τις διεγέρσεις ανάλογα με τη συμμετρία τους και να αποκαλύψουν επιπλέον επίπεδα ενέργειας.
Στο επόμενο στάδιο, η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει την τεχνική από ατομικές αλυσίδες σε δισδιάστατα πλέγματα. Εκεί, οι θεωρίες συμμορφικού πεδίου είναι πολύ λιγότερο κατανοητές, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μελέτη κβαντικών συστημάτων που είναι δύσκολο ή αδύνατο να προσεγγιστούν με κλασικούς υπολογιστές.