Fizicienii au convins atomii ultrareci într-o formă evazivă de materie cuantică

O formă evazivă de materie numită lichid cu spin cuantic nu este un lichid și nu se rotește – dar cu siguranță este cuantică.

Prevăzute cu aproape 50 de ani în urmă, lichidele cu spin cuantic s-au susținut de mult timp la detectarea definitivă în laborator. Dar acum, o rețea de atomi ultrareci ținute în loc cu lasere a arătat semne distinctive ale formei de materie mult căutate, raportează cercetătorii în 3 decembrie. Ştiinţă.

Încurcarea cuantică intră în exces în materialul nou modelat. Chiar și atomii de pe părțile opuse ale rețelei împărtășesc întricarea sau legăturile cuantice, ceea ce înseamnă că proprietățile atomilor îndepărtați sunt corelate între ele. „Este foarte, foarte încurcat”, spune fizicianul Giulia Semeghini de la Universitatea Harvard, coautor al noului studiu. „Dacă alegi oricare două puncte ale sistemului tău, ele sunt conectate între ele prin această încurcătură imensă.” Această încurcătură puternică, cu rază lungă de acțiune, s-ar putea dovedi utilă pentru construirea de calculatoare cuantice, spun cercetătorii.

Noul material se potrivește cu predicțiile pentru un lichid cu spin cuantic, deși machiajul său se îndepărtează puțin de așteptările convenționale. În timp ce ideea tradițională a unui lichid de spin cuantic se bazează pe proprietatea cuantică a spinului, care dă atomilor câmpuri magnetice, noul material se bazează pe diferite particularități atomice.

Un lichid de spin cuantic standard ar trebui să apară printre atomii ale căror spinuri sunt în conflict. Spinul face ca atomii să acționeze ca niște magneți mici. În mod normal, la temperaturi scăzute, acești atomi și-ar alinia polii magnetici într-un model regulat. De exemplu, dacă un atom arată în sus, vecinii lui arată în jos. Dar dacă atomii sunt aranjați într-un triunghi, de exemplu, fiecare atom are doi vecini care ei înșiși arată în direcții opuse. Acest aranjament îl lasă pe cel de-al treilea fără unde să se întoarcă – nu se poate opune ambilor vecini deodată.

Deci atomii din lichidele cu spin cuantic refuză să aleagă (SN: 9/21/21). În schimb, atomii se termină într-o suprapunere, o combinație cuantică de spin în sus și în jos, iar starea fiecărui atom este legată de cea a compatrioților săi. Atomii fluctuează în mod constant și nu se stabilesc niciodată într-un aranjament ordonat de rotiri, în mod similar cu modul în care atomii dintr-un lichid normal sunt împrăștiați, mai degrabă decât aranjați într-un model care se repetă în mod regulat, de unde și numele.

Dovezi concludente ale lichidelor cu spin cuantic au fost greu de găsit în materialele solide. În noul studiu, cercetătorii au adoptat o abordare diferită: au creat un material artificial compus din 219 atomi de rubidiu prinși, răciți la o temperatură de aproximativ 10 microkelvin (aproximativ -273,15 ° Celsius). Matricea de atomi, cunoscută sub numele de simulator cuantic programabil, permite oamenilor de știință să ajusteze modul în care atomii interacționează pentru a investiga formele exotice ale materiei cuantice.

În noul experiment, mai degrabă decât rotațiile atomilor să fie în opoziție, o proprietate diferită a creat dezacord. Cercetătorii au folosit lasere pentru a pune atomii în stări Rydberg, ceea ce înseamnă că unul dintre electronii unui atom este ridicat la un nivel de energie foarte ridicat (SN: 29/08/16). Dacă un atom este într-o stare Rydberg, vecinii săi preferă să nu fie. Această configurație generează o discordie Rydberg sau nu, analogă bătăliei de spin-up și -down într-un lichid tradițional de spin cuantic.

Oamenii de știință au confirmat efectul lichid de spin cuantic studiind proprietățile atomilor care au căzut de-a lungul buclelor urmărite prin material. Conform matematicii cuantice, acești atomi ar fi trebuit să prezinte anumite proprietăți unice lichidelor cu spin cuantic. Rezultatele s-au potrivit cu așteptările pentru un lichid cu spin cuantic și au dezvăluit faptul că era prezentă încurcarea pe distanță lungă.

În special, încâlcerea materialului este topologică. Aceasta înseamnă că este descris de o ramură a matematicii numită topologie, în care un obiect este definit de anumite proprietăți geometrice, de exemplu, numărul său de găuri (SN: 10/4/16). Topologia poate proteja informațiile împotriva distrugerii: un bagel care cade de pe tejghea va avea în continuare exact o gaură, de exemplu. Această caracteristică de conservare a informațiilor ar putea fi un avantaj pentru computerele cuantice, care trebuie să se lupte cu informații cuantice fragile, ușor distruse, care fac calculele supuse greșelilor (SN: 22/06/2020).

Dacă materialul se califică cu adevărat ca un lichid de spin cuantic, în ciuda faptului că nu se bazează pe spin, depinde de alegerea dvs. de limbaj, spune fizicianul teoretician Christopher Laumann de la Universitatea din Boston, care nu a fost implicat în studiu. Unii fizicieni folosesc termenul „rotire” pentru a descrie alte sisteme cu două opțiuni posibile, deoarece are aceeași matematică ca și spinurile atomice care pot îndrepta fie în sus, fie în jos. „Cuvintele au sens, până când nu au”, glumește el. Totul depinde de cum le rotești.