Классические представления о фазовых переходах, таких как замерзание воды или потеря намагниченности, традиционно связывают с трехмерными (3D) и двумерными (2D) системами. Однако теоретические работы Нобелевских лауреатов Дайсона и Таулеса предсказали возможность существования фазовых переходов и в одномерных (1D) системах при наличии дальнодействующих взаимодействий между атомами. До недавнего времени эти предсказания оставались исключительно теоретическими.
Группа исследователей из Центра квантовых вычислений Университета Дьюка (Duke Quantum Center) и Университета Мэриленда, опубликовавшая результаты своей работы в журнале Nature Physics, впервые экспериментально наблюдала фазовый переход в одномерной цепочке атомов. Экспериментальная часть работы была выполнена в Duke Quantum Center, в то время как теоретическое обоснование предоставили ученые из Университета Мэриленда.
В качестве квантового симулятора использовалось устройство на основе захваченных ионов. Цепочка из 23 ионов иттербия, удерживаемых электромагнитными полями, представляла собой одномерный «магнит». Ключевым элементом эксперимента стала возможность точной настройки взаимодействий между ионами, что позволило имитировать дальнодействующие силы, предсказанные Дайсоном и Таулесом.
Одной из основных сложностей в изучении фазовых переходов в квантовых симуляторах является невозможность традиционного «нагрева» системы. Подключение к тепловому резервуару разрушает квантовое состояние. Александр Шукерт (Университет Мэриленда), ведущий автор теоретической части, разработал новый метод «введения энергии», который был реализован Ором Кацем и Кристофером Монро в Университете Дьюка.
Используя разработанный метод, исследователи смогли наблюдать переход системы из намагниченного (упорядоченного) состояния в размагниченное (неупорядоченное) при увеличении энергии. Это первое в истории экспериментальное наблюдение фазового перехода при конечной энергии в одномерной атомной системе.
Успех эксперимента стал возможен благодаря многолетним усилиям под руководством Кристофера Монро по созданию и совершенствованию квантового симулятора на захваченных ионах. Теоретическую поддержку и руководство осуществляли профессора Горшков и Хафези из Университета Мэриленда.
Данное открытие демонстрирует потенциал квантовых симуляторов для исследования экзотических состояний материи и новых фазовых переходов, которые ранее были недоступны для экспериментального изучения. В дальнейшем исследователи планируют использовать двумерные массивы ионов для изучения более сложных систем и открытия новых фаз материи, а также усовершенствовать метод подготовки «нагретого» состояния для более низких (но конечных) температур и более сложных моделей материалов. Это позволит моделировать более широкий спектр квантовых явлений и углубить понимание квантового поведения в различных материалах.
Изображение носит иллюстративный характер
Группа исследователей из Центра квантовых вычислений Университета Дьюка (Duke Quantum Center) и Университета Мэриленда, опубликовавшая результаты своей работы в журнале Nature Physics, впервые экспериментально наблюдала фазовый переход в одномерной цепочке атомов. Экспериментальная часть работы была выполнена в Duke Quantum Center, в то время как теоретическое обоснование предоставили ученые из Университета Мэриленда.
В качестве квантового симулятора использовалось устройство на основе захваченных ионов. Цепочка из 23 ионов иттербия, удерживаемых электромагнитными полями, представляла собой одномерный «магнит». Ключевым элементом эксперимента стала возможность точной настройки взаимодействий между ионами, что позволило имитировать дальнодействующие силы, предсказанные Дайсоном и Таулесом.
Одной из основных сложностей в изучении фазовых переходов в квантовых симуляторах является невозможность традиционного «нагрева» системы. Подключение к тепловому резервуару разрушает квантовое состояние. Александр Шукерт (Университет Мэриленда), ведущий автор теоретической части, разработал новый метод «введения энергии», который был реализован Ором Кацем и Кристофером Монро в Университете Дьюка.
Используя разработанный метод, исследователи смогли наблюдать переход системы из намагниченного (упорядоченного) состояния в размагниченное (неупорядоченное) при увеличении энергии. Это первое в истории экспериментальное наблюдение фазового перехода при конечной энергии в одномерной атомной системе.
Успех эксперимента стал возможен благодаря многолетним усилиям под руководством Кристофера Монро по созданию и совершенствованию квантового симулятора на захваченных ионах. Теоретическую поддержку и руководство осуществляли профессора Горшков и Хафези из Университета Мэриленда.
Данное открытие демонстрирует потенциал квантовых симуляторов для исследования экзотических состояний материи и новых фазовых переходов, которые ранее были недоступны для экспериментального изучения. В дальнейшем исследователи планируют использовать двумерные массивы ионов для изучения более сложных систем и открытия новых фаз материи, а также усовершенствовать метод подготовки «нагретого» состояния для более низких (но конечных) температур и более сложных моделей материалов. Это позволит моделировать более широкий спектр квантовых явлений и углубить понимание квантового поведения в различных материалах.
