"Если только инопланетная цивилизация не проводит подобные эксперименты прямо сейчас, каждый раз, когда этот эксперимент проводится в Университете Киото, он создает самые холодные фермионы во Вселенной", - сказал Кейден Хаззард из Университета Райса, автор соответствующей теории исследования, опубликованного сегодня в Физика природы. "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".

Команда из Киото, возглавляемая автором исследования Йоширо Такахаси, использовала лазеры для охлаждения своих фермионов, атомов иттербия, примерно до одной миллиардной градуса абсолютного нуля, недостижимой температуры, при которой прекращается всякое движение. Это примерно в 3 миллиарда раз холоднее, чем межзвездное пространство, которое все еще нагревается послесвечением Большого взрыва.

"Преимущество такого холода в том, что физика действительно меняется", - сказал Хаззард. "Физика начинает становиться все более квантово-механической, и это позволяет вам видеть новые явления".

Атомы подчиняются законам квантовой динамики точно так же, как электроны и фотоны, но их квантовое поведение становится очевидным только тогда, когда они охлаждаются в пределах доли градуса от абсолютного нуля. Физики уже более четверти века используют лазерное охлаждение для изучения квантовых свойств ультрахолодных атомов. Лазеры используются как для охлаждения атомов, так и для ограничения их движения оптическими решетками, 1D, 2D или 3D каналами света, которые могут служить квантовыми симуляторами, способными решать сложные задачи, недоступные обычным компьютерам.

Лаборатория Такахаси использовала оптические решетки для имитации модели Хаббарда, часто используемой квантовой модели, созданной в 1963 году физиком-теоретиком Джоном Хаббардом. Физики используют модели Хаббарда для исследования магнитного и сверхпроводящего поведения материалов, особенно тех, где взаимодействия между электронами приводят к коллективному поведению, чем-то похожему на коллективные взаимодействия ликующих спортивных болельщиков, которые исполняют "волну" на переполненных стадионах.

"Термометр, который они используют в Киото, является одной из важных вещей, предусмотренных нашей теорией", - сказал Хаззард, адъюнкт-профессор физики и астрономии и член Квантовой инициативы Райса. "Сравнивая их измерения с нашими расчетами, мы можем определить температуру. Рекордная температура достигается благодаря забавной новой физике, которая связана с очень высокой симметрией системы".

Модель Хаббарда, смоделированная в Киото, имеет особую симметрию, известную как SU (N), где SU означает специальную унитарную группу - математический способ описания симметрии - и N обозначает возможные спиновые состояния частиц в модели. Чем больше значение N, тем больше симметрия модели и сложность магнитного поведения, которое она описывает. Атомы иттербия имеют шесть возможных спиновых состояний, и симулятор Киото первым выявил магнитные корреляции в модели Хаббарда SU (6), которые невозможно вычислить на компьютере.

"Это настоящая причина для проведения этого эксперимента", - сказал Хаззард. "Потому что мы умираем от желания узнать физику этой модели СУ (Н) Хаббарда".

Соавтор исследования Эдуардо Ибарра-Гарсия-Падилья, аспирант исследовательской группы Хаззарда, сказал, что модель Хаббарда направлена на то, чтобы охватить минимальные ингредиенты, чтобы понять, почему твердые материалы становятся металлами, изоляторами, магнитами или сверхпроводниками.

"Один из увлекательных вопросов, который могут исследовать эксперименты, - это роль симметрии", - сказал Ибарра-Гарсия-Падилья. "Иметь возможность спроектировать это в лаборатории - это экстраординарно. Если мы сможем понять это, это может привести нас к созданию реальных материалов с новыми, желаемыми свойствами".

Команда Такахаси показала, что он может удерживать до 300 000 атомов в своей 3D-решетке. Хаззард сказал, что точное вычисление поведения даже дюжины частиц в модели Хаббарда SU (6) находится за пределами досягаемости самых мощных суперкомпьютеров. Эксперименты в Киото дают физикам шанс узнать, как работают эти сложные квантовые системы, наблюдая за ними в действии.

Результаты являются важным шагом в этом направлении и включают в себя первые наблюдения координации частиц в модели Хаббарда SU (6), сказал Хаззард.

"Прямо сейчас эта координация носит краткосрочный характер, но по мере дальнейшего охлаждения частиц могут появляться более тонкие и экзотические фазы материи", - сказал он. "Одна из интересных особенностей некоторых из этих экзотических фаз заключается в том, что они не упорядочены по очевидному шаблону, и они также не случайны. Корреляции существуют, но если вы посмотрите на два атома и спросите: "Связаны ли они?", вы их не увидите. Они гораздо более утонченны. Вы не можете смотреть на два, или три, или даже на 100 атомов. Вы как бы должны взглянуть на всю систему в целом".

У физиков пока нет инструментов, способных измерить такое поведение в эксперименте в Киото. Но Хаззард сказал, что работа по созданию инструментов уже ведется, и успех команды Kyoto подстегнет эти усилия.

"Эти системы довольно экзотические и особенные, но есть надежда, что, изучая и понимая их, мы сможем определить ключевые ингредиенты, которые должны присутствовать в реальных материалах", - сказал он.

Соавторами исследования являются Синтаро Тайе, Наоки Нисидзава и Йосукэ Такасу из Киото, Хао-Тянь Вэй из Университета Риса и Фудань в Шанхае, Есихито Куно из Университета Цукуба в Ибараки, Япония, и Ричард Скалеттар из Калифорнийского университета в Дэвисе.

Исследования в Райс были поддержаны Фондом Уэлча (C-1872) и Национальным научным фондом (1848304).