우주의 가장 차가운 페르미온이 높은 대칭 양자 영역으로 가는 포털을 엽니 다 - Sciencetimes

일본과 미국 물리학자들은 성간 공간보다 약 30억 배 더 차가운 원자를 사용하여 양자 자기의 미개척 영역으로 가는 문을 열었습니다.

“외계 문명이 지금 이와 같은 실험을 하지 않는 한, 이 실험이 교토 대학에서 실행될 때마다 우주에서 가장 차가운 페르미온을 만들고 있습니다”라고 오늘 발표된 연구의 교신 이론 저자인 라이스 대학의 카덴 해저드가 말했습니다. 자연 물리학. “페르미온은 희귀 입자가 아닙니다. 전자와 같은 것을 포함하며 모든 물질을 구성하는 두 가지 유형의 입자 중 하나입니다.”

연구 저자인 Yoshiro Takahashi가 이끄는 교토 팀은 레이저를 사용하여 이테르븀 원자인 페르미온을 모든 움직임이 멈추는 도달할 수 없는 온도인 절대 영도의 약 10억 분의 1 이내로 냉각했습니다. 이것은 성간 공간보다 약 30억 배 더 차갑습니다. 성간 공간은 여전히 ​​빅뱅의 잔광으로 따뜻해집니다.

Hazzard는 “이 감기에 걸린 결과는 물리학이 실제로 변한다는 것입니다.”라고 말했습니다. “물리학이 보다 양자역학적으로 변하기 시작하고 새로운 현상을 볼 수 있게 해줍니다.”

원자는 전자와 광자와 마찬가지로 양자역학의 법칙을 따르지만 양자 거동은 절대 영도의 일부 내에서 냉각될 때만 분명해집니다. 물리학자들은 25년 이상 동안 극저온 원자의 양자 특성을 연구하기 위해 레이저 냉각을 사용해 왔습니다. 레이저는 원자를 냉각하고 광학 격자, 1D, 2D 또는 3D 빛 채널로 원자의 움직임을 제한하는 데 사용되며, 이는 기존 컴퓨터의 범위를 넘어 복잡한 문제를 해결할 수 있는 양자 시뮬레이터 역할을 할 수 있습니다.

Takahashi의 연구실은 이론 물리학자 John Hubbard가 1963년에 만든 자주 사용되는 양자 모델인 Hubbard 모델을 시뮬레이션하기 위해 광학 격자를 사용했습니다. 물리학자들은 Hubbard 모델을 사용하여 물질의 자기 및 초전도 행동, 특히 전자 간의 상호 작용이 집단 행동을 생성하는 물질을 조사합니다. 마치 붐비는 경기장에서 “파도”를 공연하는 환호하는 스포츠 팬의 집단적 상호 작용과 비슷합니다.

물리학 및 천문학 부교수이자 Rice Quantum Initiative 회원인 Hazzard는 “교토에서 사용하는 온도계는 우리 이론이 제공하는 중요한 것 중 하나입니다.”라고 말했습니다. “그 측정값을 우리 계산과 비교하여 온도를 결정할 수 있습니다. 시스템의 매우 높은 대칭성과 관련된 재미있는 새로운 물리학 덕분에 기록적인 온도를 달성할 수 있습니다.”

교토에서 시뮬레이션된 Hubbard 모델은 SU(N)로 알려진 특수 대칭을 가지고 있습니다. 여기서 SU는 특수 단일 그룹(대칭을 설명하는 수학적 방법)을 나타내고 N은 모델에서 입자의 가능한 스핀 상태를 나타냅니다. N 값이 클수록 모델의 대칭성과 모델이 설명하는 자기 거동의 복잡성이 커집니다. 이테르븀 원자에는 6가지 가능한 스핀 상태가 있으며 교토 시뮬레이터는 컴퓨터에서 계산할 수 없는 SU(6) Hubbard 모델의 자기 상관 관계를 최초로 밝혀냈습니다.

“이것이 이 실험을 하는 진짜 이유입니다.”라고 Hazzard가 말했습니다. “이 SU(N) Hubbard 모델의 물리학을 알고 싶기 때문입니다.”

연구 공동 저자인 Hazzard 연구 그룹의 대학원생인 Eduardo Ibarra-García-Padilla는 Hubbard 모델이 왜 고체 물질이 금속, 절연체, 자석 또는 초전도체가 되는지 이해하기 위해 최소한의 성분을 포착하는 것을 목표로 한다고 말했습니다.

“실험이 탐구할 수 있는 매혹적인 질문 중 하나는 대칭의 역할입니다.”라고 Ibarra-García-Padilla가 말했습니다. “실험실에서 이를 엔지니어링할 수 있는 능력을 갖는 것은 비범한 일입니다. 우리가 이것을 이해할 수 있다면 새롭고 원하는 특성을 가진 실제 재료를 만드는 데 도움이 될 것입니다.”

Takahashi의 팀은 3D 격자에 최대 300,000개의 원자를 가둘 수 있음을 보여주었습니다. Hazzard는 SU(6) Hubbard 모델에서 12개 입자의 거동을 정확하게 계산하는 것은 가장 강력한 슈퍼컴퓨터의 범위를 벗어난다고 말했습니다. 교토 실험은 물리학자들에게 이러한 복잡한 양자 시스템이 작동하는 모습을 관찰함으로써 어떻게 작동하는지 배울 수 있는 기회를 제공합니다.

결과는 이 방향의 주요 단계이며 SU(6) Hubbard 모델에서 입자 조정의 첫 번째 관찰을 포함한다고 Hazzard가 말했습니다.

“현재 이러한 조정은 단거리이지만 입자가 더 냉각됨에 따라 더 미묘하고 이국적인 물질 상이 나타날 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “이 이국적인 단계 중 일부에 대한 흥미로운 점 중 하나는 명백한 패턴으로 정렬되지 않고 무작위도 아니라는 것입니다. 상관 관계가 있지만 두 원자를보고 ‘상관 관계가 있습니까?’ “당신은 그것들을 볼 수 없을 것입니다. 그것들은 훨씬 더 미묘합니다. 당신은 두 개, 세 개, 심지어 100개의 원자를 볼 수 없습니다. 당신은 일종의 전체 시스템을 봐야 합니다.”

물리학자들은 아직 교토 실험에서 그러한 행동을 측정할 수 있는 도구를 가지고 있지 않습니다. 그러나 Hazzard는 도구를 만들기 위한 작업이 이미 진행 중이며 교토 팀의 성공이 이러한 노력에 박차를 가할 것이라고 말했습니다.

“이 시스템은 매우 이국적이고 특별하지만 연구하고 이해함으로써 실제 재료에 필요한 핵심 성분을 식별할 수 있기를 바랍니다.”라고 그는 말했습니다.

연구 공동 저자로는 Shintaro Taie, Naoki Nishizawa 및 Yosuke Takasu 교토, 상하이 Rice and Fudan University의 Hao-Tian Wei, 일본 Ibaraki에 있는 Tsukuba 대학의 Yoshihito Kuno, 캘리포니아 대학의 Richard Scalettar, 데이비스.

Rice의 연구는 Welch Foundation(C-1872)과 National Science Foundation(1848304)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220901135811.htm