Te są owocem współpracy z badaczami z Université Paris-Saclay oraz Technical University of Munich. Zespół kierowany przez Manuela Endresa i Jasona Aliceę skoncentrował się na jednym z najważniejszych pojęć współczesnej fizyki teoretycznej: konforemnej teorii pola, czyli CFT. Służy ona chociażby do opisywania zachowania układów znajdujących się w pobliżu kwantowych przejść fazowych.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
Przejście fazowe kojarzy się przede wszystkim z codziennymi zjawiskami, takimi jak zamiana wody w parę. W świecie kwantowym podobne przejścia mogą jednak zachodzić z zupełnie innych powodów i w temperaturach bliskich zera absolutnego. Właśnie wtedy materia może osiągnąć punkt krytyczny, w którym jej zachowanie zaczyna podlegać uniwersalnym regułom niezależnym od wielu szczegółów konkretnego układu.
Teoretycy od dawna przewidywali, że w takich warunkach widmo energii wzbudzeń powinno układać się w charakterystyczne wzorce. Problem polegał na tym, iż niezwykle trudno było zaobserwować je bezpośrednio w rzeczywistym eksperymencie. Po latach impasu naukowcom udało się tego dokonać.
Doświadczenie zorganizowali wykorzystując łańcuchy zawierające nawet 35 atomów strontu. Pojedyncze atomy były chwytane i ustawiane za pomocą pęset optycznych, czyli bardzo precyzyjnie sterowanych wiązek laserowych. Następnie badacze wzbudzali atomy do stanów Rydberga. W takowym sąsiednie atomy zaczynają silnie na siebie oddziaływać, dzięki czemu cały łańcuch zachowuje się jak jeden skomplikowany układ kwantowy.
Kluczową rolę odegrała tutaj nowa technika nazwana spektroskopią modulacji wielociałowej. Naukowcy delikatnie zmieniali parametry układu za pomocą laserów i obserwowali, przy jakich częstotliwościach atomy reagują szczególnie silnie. Każdy taki rezonans odpowiada określonemu poziomowi energii. W ten sposób badacze mogli odtworzyć swoistą drabinę energetyczną układu kwantowego.
Rezultaty okazały się zgodne z przewidywaniami teorii Isinga. Gdy naukowcy przeskalowali wyniki uzyskane dla różnych długości łańcucha, poszczególne widma złożyły się na jeden uniwersalny wzorzec. Następnie zespół dostroił układ do jeszcze bardziej szczególnego punktu krytycznego opisywanego przez trykrytyczną teorię Isinga. Także w tym przypadku zmierzone poziomy energii występowały w proporcjach przewidzianych przez teorię.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Eksperyment pozwolił na coś więcej niż samo zmierzenie poziomów energii. Jako że naukowcy mogli kontrolować poszczególne atomy, byli w stanie badać symetrię wzbudzeń i rozróżniać różne rodzaje stanów kwantowych. Manipulując atomami znajdującymi się na końcach łańcucha, zmieniali także warunki brzegowe, a wraz z nimi obserwowane widmo. Wyniki ponownie odpowiadały przewidywaniom teorii. Jak sami dodają, ich metoda nie musi służyć wyłącznie do sprawdzania teorii, których odpowiedź jest już znana. W przyszłości może pomóc analizować układy, których zachowania nie potrafią przewidzieć nawet klasyczne komputery.
Źródło: Nature
