Des physiciens japonais et américains ont utilisé des atomes environ 3 milliards de fois plus froids que l’Espace interstellaire pour ouvrir un portail vers un domaine unexploré du magnétisme quantique.
“À moins qu’une civilization extraterrestre ne fasse des expériences comme celles-ci en ce moment, chaque fois que cette expérience se déroule à l’Université de Kyoto, elle fabrique les fermions les plus froids de l’ivers”, a déclaré Kaden Hazzard de l’Université Rice, author of the théorie correspondante d’une étude publiée aujourd’hui dans Physique naturelle. «Les fermions ne sont pas des particules rares. Ils incluent des choses comme les électrons et sont uno des deux types de particules dont toute matière est faite. “
Une équipe de Kyoto directed by the auteur de l’étude Yoshiro Takahashi a utilisé des lasers pour refroidir ses fermions, des atomes d’ytterbium, à environ un milliardième de degré du zéro absolu, la température inaccessible où tout mouvement s’arrête. C’est environ 3 milliards de fois plus froid que d’espace interstellaire, qui est encore réchauffé par la rémanence du Big Bang.
«La récompense d’avoir ce rhume est que la physique change vraiment», to declare Hazzard. «The physique commence à devenir plus mécanique quantique, et elle vous permet de voir de nouveaux phénomènes. “
Les atomes sont soumis aux lois de la dynamique quantique, tout comme les électrons et les photons, mais leurs comportements quantiques ne deveennent évidents que lorsqu’ils sont refroidis à une fraction de degré près du zéro absolu. Les physiciens utilisent le refroidissement par laser pour étudier les propriétés quantiques des atomes ultrafroids depuis plus d’un quart de siècle. Les lasers sont utilisés à la fois pour refroidir les atomes et limiter leurs mouvements à des réseaux optiques, des canaux de lumière 1D, 2D ou 3D qui peuvent serve de simulateurs quantiques capables de résoudre des problèmes complexes hors de portée des ordinateurs conventionnels.
Le laboratoire de Takahashi a utilisé des réseaux optiques pour simuler un modèle Hubbard, a modèle quantique souvent utilisé créé in 1963 par le physicien théoricien John Hubbard. The physiciens utilisent les modèles de Hubbard pour étudier le comportement magnétique et supraconducteur des matériaux, en particulier ceux où les interactions between the électrons produisent un comportement collectif, a peu comme les interactions collectives des fans de sport enthousiastes qui exécutent “la vague” stades bondés.
«Le thermomètre qu’ils utilisent à Kyoto est l’une des choses importantes fournies par notre théorie», according to Hazzard, professor agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. «En comparant leurs mesures à nos calculs, nous pouvons déterminer la température. La température record est atteinte grâce à une nouvelle physique amusante liée à la très haute symétrie du système. “
Le modèle Hubbard simulé à Kyoto a une symétrie spéciale connue sous le nom de SU (N), or SU signifie groupe unire spécial – une manière mathématique de décrire la symétrie – et N désigne les états de spin possibles des particules dans le modèle. Plus la valeur de N est grande, plus la symétrie du modèle est grande et la complexité des comportements magnétiques qu’il décrit. Les atomes d’ytterbium ont six états de spin possibles, et le simulateur de Kyoto est le premier à révéler des corrélations magnétiques dans un modèle Hubbard SU (6), here sont impossibles à calculer sur un ordinateur.
“C’est la vraie raison de faire cette expérience”, to declare Hazzard. «Parce que nous mourons d’envie de connaître la physique de ce modèle SU (N) Hubbard. “
Le co-author de l’étude, Eduardo Ibarra-García-Padilla, étudiant diplômé du groupe de recherche de Hazzard, a déclaré que le modèle Hubbard vise à capturer les ingrédients minimaux pour comprendrequo pouri les matériaux solides deveennent des métaux, des isolants, des aimants ou des supraconducteurs.
«L’une des questions fascinantes que les expériences peuvent explorer est le rôle de la symétrie», to declare Ibarra-García-Padilla. «I have the ability to conceive in a laboratoire est extraordinaire. Yes nous pouvons comprendre cela, cela peut nous guider towards the fabrication de matériaux réels avec de nouvelles propriétés souhaitées. “
L’équipe de Takahashi in montré qu’il pouvait piéger jusqu’à 300,000 atomes dans son réseau 3D. Hazzard a déclaré que le calcul précis du comportement d’une douzaine de particules dans un modèle SU (6) Hubbard est hors de portée des superordinateurs les plus puissants. Les expériences de Kyoto offers a chance to learn with physiciens comment ces systèmes quantiques complexes fonctionnent en les observant en action.
The results are very important in this direction and include the premier observations of the coordination of the particulars in a model SU (6) Hubbard, to declare Hazzard.
«Pour le moment, cette coordination est à courte portée, corn à mesure que les particules sont encore plus refroidies, des phases de matière plus subtiles et plus exotiques peuvent apparaître», at-il déclaré. «L’une des choses intéressantes à propos de certaines de ces exotiques est qu’elles ne sont pas ordonnées selon un schéma évident et qu’elles ne sont pas non plus aléatoires. Il existe des corrélations, ma si vous regardez deux atomes et demandez: »Sont-ils corrélés? vous ne les verrez pas. Ils sont beaucoup plus subtils. Vous ne pouvez pas regarder deux ou trois ou même 100 atomes. Vous devez en quelque sorte regarder l’ensemble du système.
Les physiciens ne disposent pas encore d’outils capables de mesurer a tel comportement dans l’expérience de Kyoto. Mais Hazzard a declare that des travaux étaient déjà en cours pour créer les outils, et que le succès de l’équipe de Kyoto stimulera ces efforts.
“Ces systèmes sont axisz exotiques et spéciaux, mais l’Espoir est qu’en les étudiant et en les comprenant, nous puissions identifier les ingrédients clés qui doivent être présents dans les vrais matériaux”, at-il déclaré.
Les co-authors de l’étude incluent Shintaro Taie, Naoki Nishizawa et Yosuke Takasu de Kyoto, Hao-Tian Wei des universités Rice et Fudan à Shanghai, Yoshihito Kuno de l’Université de Tsukuba à Ibaraki, au Japon, et Richard Scalettar de the Université de Californie, Davis.
La recherche à Rice a été soutenue par the Welch Foundation (C-1872) and the National Science Foundation (1848304).
