一位艺术家对复杂磁相关性的概念物理学家在京都大学用一个突破性的量子模拟器观察到，该模拟器使用的镱原子比深空冷约30亿倍。不同的颜色表示每个原子的六种可能的自旋状态。该模拟器使用多达300，000个原子，使物理学家能够直接观察粒子如何在量子磁铁中相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的能力。图片来源：Ella Maru Studio/K. Hazzard/Rice University
日本和美国的物理学家已经使用比星际空间冷约30亿倍的原子，打开了通往未被探索的量子磁学领域的门户。
“除非一个外星文明现在正在做这样的实验，否则每当这个实验在京都大学进行时，它都会制造宇宙中最冷的费米子，”莱斯大学的Kaden Hazzard说，他是今天发表在《自然物理学》上的一项研究的通讯理论作者。“费米子不是稀有粒子。它们包括电子之类的东西，是所有物质都由两种类型的粒子之一组成的。
由研究作者Yoshiro Takahashi领导的京都团队使用激光将其费米子（镱原子）冷却在绝对零度的十亿分之一以内，这是所有运动停止的无法达到的温度。这比星际空间冷约30亿倍，星际空间仍然受到大爆炸余晖的温暖。
“这种寒冷的回报是物理学真的改变了，”哈扎德说。“物理学开始变得更加量子力学，它让你看到新的现象。
原子就像电子和光子一样受量子动力学定律的约束，但它们的量子行为只有在绝对零度的几分之一内冷却时才会变得明显。物理学家使用激光冷却来研究超冷原子的量子性质超过四分之一个世纪。激光用于冷却原子并将其运动限制在光学晶格，1D，2D或3D光通道上，这些光通道可以用作量子模拟器，能够解决传统计算机无法解决的复杂问题。
高桥的實驗室使用光晶格來模擬賀賀模型，這是理論物理學家約翰·賀伯特（John Hubbard）於1963年創建的一個經常使用的量子模型。物理學家使用賀伯特模型來研究材料的磁性和超導性行為，特別是那些電子之間相互作用產生集體行為的物質，有點像在擁擠的體育場中表演“波浪”的歡呼運動迷的集體互動。
“他们在京都使用的温度计是我们理论提供的重要因素之一，”物理学和天文学副教授，莱斯量子计划成员哈扎德说。“将他们的测量结果与我们的计算进行比较，我们可以确定温度。创纪录的温度之所以能够实现，要归功于有趣的新物理特性，这与系统的高度对称性有关。
一位艺术家对复杂磁相关性的概念物理学家在京都大学用一个突破性的量子模拟器观察到，该模拟器使用的镱原子比深空冷约30亿倍。不同的颜色表示每个原子的六种可能的自旋状态。该模拟器使用多达300，000个原子，使物理学家能够直接观察粒子如何在量子磁铁中相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的能力。图片来源：Ella Maru Studio/K. Hazzard/Rice University
在京都模擬的賀伯特模型具有特殊的對稱性，稱為SU（N），其中SU代表特殊的酉群 - 一種描述對稱性的數學方式 - N表示模型中粒子的可能自旋狀態。N的值越大，模型的对称性和它所描述的磁性行为的复杂性就越大。镱原子有六种可能的自旋态，京都模拟器是第一个在SU（6）哈伯德模型中揭示磁相关性的模拟器，这些磁性相关性在计算机上是不可能计算的。
“这是做这个实验的真正原因，”哈扎德说。「因為我們渴望知道這個SU（N）賀伯特模型的物理學。
研究合著者Eduardo Ibarra-García-Padilla是Hazzard研究小组的研究生，他说，Hubbard模型旨在捕获最小的成分，以了解为什么固体材料会变成金属，绝缘体，磁铁或超导体。
“实验可以探索的一个迷人问题是对称性的作用，”Ibarra-García-Padilla说。“有能力在实验室中设计它是非同寻常的。如果我们能够理解这一点，它可能会指导我们制造具有新的，所需特性的真实材料。
Takahashi的团队表明，它可以在其3D晶格中捕获多达300，000个原子。哈扎德说，在SU（6）哈伯德模型中，精确计算十几个粒子的行为是最强大的超级计算机所无法企及的。京都实验为物理学家提供了一个机会，通过观察这些复杂的量子系统如何运作来了解它们是如何运作的。
Hazzard说，这些结果是朝着这个方向迈出的重要一步，包括SU（6）哈伯德模型中粒子配位的首次观测。
“现在这种配位是短程的，但随着粒子进一步冷却，可能会出现更微妙，更奇特的物质相，”他说。“关于这些奇异阶段的一个有趣的事情是，它们不是以明显的模式排序的，也不是随机的。有相关性，但如果你看着两个原子，问，“它们是相关的吗？”你不会看到它们。它们要微妙得多。你不能看两个、三个甚至100个原子。你必须看看整个系统。
物理学家还没有能够在京都实验中测量这种行为的工具。但哈扎德表示，创建这些工具的工作已经在进行中，京都团队的成功将刺激这些努力。
“这些系统非常奇特和特殊，但希望通过研究和理解它们，我们可以确定真实材料中需要存在的关键成分，”他说。
更多信息：Shintaro Taie，在超冷SU（N）Hubbard模型中观察反铁磁相关性，Nature Physics（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01725-6.www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6
期刊信息：自然物理学
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