Drabina energetyczna, której istnienie fizycy przewidzieli ponad 40 lat temu, została wreszcie zaobserwowana eksperymentalnie. Naukowcy z California Institute of Technology wykorzystali łańcuchy atomów strontu kontrolowane za pomocą laserów, aby odtworzyć szczególne warunki panujące w kwantowych punktach krytycznych. Wyniki pokazały charakterystyczne poziomy energii zgodne z przewidywaniami teorii z 1984 roku. Odkrycie nie tylko potwierdza ważne założenia fizyki teoretycznej, ale również pokazuje, jak symulatory kwantowe mogą pomagać badać zjawiska niedostępne dla tradycyjnych komputerów.
Drabina energetyczna – na to odkrycie czekano ponad 40 lat
W fizyce zdarza się, że matematyczna teoria wyprzedza możliwości eksperymentalne o całe dziesięciolecia.
Naukowcy potrafią przewidzieć istnienie określonych zjawisk, ale przez długi czas nie dysponują urządzeniami wystarczająco precyzyjnymi, aby je zaobserwować.
Tak było z niezwykłymi wzorcami energii pojawiającymi się w układach kwantowych znajdujących się w pobliżu punktów krytycznych.
Już w 1984 roku fizyk John Cardy przewidział, że takie układy powinny wykazywać charakterystyczne, uporządkowane poziomy energii.
Można wyobrazić je sobie jako kolejne szczeble drabiny.
Nie oznacza to, że energia zmienia się zawsze o identyczną wartość. Chodzi o określone proporcje i zależności między poziomami, przewidywane przez matematyczną teorię.
Przez ponad cztery dekady wzorce te pozostawały przede wszystkim przewidywaniem teoretycznym.
Teraz międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z California Institute of Technology, czyli Caltech, zdołał je eksperymentalnie zmierzyć.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature”.
Czym są kwantowe punkty krytyczne?
Aby zrozumieć znaczenie odkrycia, trzeba najpierw przyjrzeć się zjawisku nazywanemu przejściem fazowym.
W codziennym życiu spotykamy je bardzo często.
Woda zmienia się w lód, gdy temperatura spadnie odpowiednio nisko. Podczas ogrzewania ciecz może natomiast zacząć wrzeć i przechodzić w parę.
W fizyce istnieją również bardziej złożone przejścia fazowe.
Jednym z przykładów jest utrata uporządkowania magnetycznego przez materiał po przekroczeniu określonej temperatury.
Szczególnie interesujące są punkty krytyczne, w których zachowanie układu ulega zasadniczej zmianie.
W takich warunkach nawet niewielkie oddziaływania mogą prowadzić do istotnych zmian właściwości całego materiału.
W przypadku kwantowych punktów krytycznych kluczową rolę odgrywają fluktuacje kwantowe, a nie tylko zwykłe zmiany wynikające z temperatury.
Zjawiska te bada się często w warunkach bardzo niskich temperatur, bliskich zeru absolutnemu.
Różne materiały mogą zachowywać się niemal identycznie
Jedną z najbardziej fascynujących właściwości punktów krytycznych jest tak zwana uniwersalność.
Oznacza ona, że różne materiały mogą wykazywać podobne zachowanie w pobliżu określonego rodzaju przejścia fazowego.
Nie muszą mieć takiego samego składu chemicznego ani identycznej struktury.
Mogą jednak podlegać tym samym zależnościom matematycznym.
W praktyce oznacza to, że pewne szczegóły budowy materiału przestają mieć decydujące znaczenie.
Ważniejsze stają się ogólne właściwości układu.
To właśnie takie zachowanie opisują między innymi konforemne teorie pola.
Konforemna teoria pola pozwala przewidywać zachowanie układów kwantowych
Konforemna teoria pola, znana pod angielskim skrótem CFT, jest narzędziem matematycznym wykorzystywanym w fizyce teoretycznej.
Pozwala opisywać określone układy znajdujące się w punktach krytycznych.
Jej szczególną cechą jest możliwość przewidywania uniwersalnych zależności, które powinny występować niezależnie od wielu szczegółów konkretnego materiału.
John Cardy wykorzystał takie podejście do przewidzenia charakterystycznego widma energetycznego.
Według teorii układ znajdujący się w określonym punkcie krytycznym powinien reagować na wzbudzenia w sposób odpowiadający konkretnemu zestawowi poziomów energii.
Każdy taki poziom stanowi odpowiednik szczebla wspomnianej drabiny.
Problem polegał na tym, że bezpośrednie zmierzenie całego wzorca było niezwykle trudne.
Dopiero współczesne możliwości kontrolowania pojedynczych atomów pozwoliły naukowcom sprawdzić tę prognozę.
Naukowcy zbudowali układ z atomów strontu
Do przeprowadzenia eksperymentu wykorzystano symulator kwantowy.
Jest to specjalnie zaprojektowany układ fizyczny, który pozwala odtwarzać i badać określone zjawiska kwantowe.
Nie musi wykonywać wszystkich zadań uniwersalnego komputera kwantowego.
Zamiast tego służy do precyzyjnego kontrolowania konkretnego rodzaju oddziaływań.
W doświadczeniu wykorzystano atomy strontu.
Naukowcy utrzymywali je w odpowiednich położeniach za pomocą światła laserowego, tworząc uporządkowane łańcuchy.
Dzięki temu mogli kontrolować liczbę atomów, ich wzajemne odległości oraz sposób oddziaływania.
Taki układ stał się laboratoryjnym modelem zjawisk, które w naturalnych materiałach są znacznie trudniejsze do zbadania.
Lasery wprowadziły atomy w stany Rydberga
Samo ustawienie atomów w jednej linii nie wystarczało.
Aby uzyskać odpowiednio silne oddziaływania między nimi, badacze wykorzystali dodatkowe lasery.
Ich zadaniem było wzbudzenie atomów do szczególnych stanów energetycznych.
Są one znane jako stany Rydberga.
W takim stanie elektron znajduje się na znacznie wyższym poziomie energetycznym niż zwykle.
Powoduje to istotną zmianę właściwości atomu i może bardzo silnie zwiększać oddziaływania między sąsiednimi atomami.
Dzięki temu naukowcy mogli stworzyć układ, w którym zachowanie pojedynczych atomów było silnie powiązane z zachowaniem całego łańcucha.
To właśnie taki rodzaj kolektywnego oddziaływania jest potrzebny do badania kwantowych punktów krytycznych.
Cały łańcuch zaczął zachowywać się jak jeden układ
Po odpowiednim przygotowaniu atomów naukowcy dostroili parametry eksperymentu.
Celem było doprowadzenie układu do warunków odpowiadających punktowi krytycznemu.
W pobliżu takiego punktu zachowanie atomów jest szczególnie wrażliwe na wzajemne oddziaływania.
Układ nie może być wtedy poprawnie opisany wyłącznie jako zbiór niezależnych cząstek.
Trzeba analizować go jako całość.
Badacze wykorzystali tę właściwość, aby sprawdzić przewidywania konforemnej teorii pola.
Następnie zaczęli zmieniać częstotliwość promieniowania laserowego oddziałującego z atomami.
W ten sposób mogli pobudzać układ i sprawdzać, przy jakich częstotliwościach reaguje on szczególnie silnie.
Drabina energetyczna pojawiła się podczas wzbudzania atomów
Kluczowa część eksperymentu polegała na okresowej modulacji laserów.
Badacze zmieniali częstotliwości wzbudzania i obserwowali odpowiedź łańcucha atomów.
Gdy częstotliwość odpowiadała określonemu przejściu energetycznemu, układ reagował w charakterystyczny sposób.
Dzięki temu możliwe było wyznaczenie kolejnych poziomów energii.
Pojawił się zestaw wzbudzeń odpowiadający przewidywanemu wcześniej widmu.
To właśnie eksperymentalnie zaobserwowana drabina energetyczna.
Najważniejsze nie było samo wykrycie różnych poziomów energii, ponieważ takie zjawisko jest dobrze znane w mechanice kwantowej.
Przełom polegał na tym, że ich wzajemne zależności odpowiadały precyzyjnym przewidywaniom konforemnej teorii pola dla badanych punktów krytycznych.
Eksperyment przeprowadzono na łańcuchach do 35 atomów
Naukowcy powtarzali doświadczenie, wykorzystując układy o różnej liczbie atomów.
Największe badane łańcuchy składały się z 35 atomów strontu.
To pozornie niewiele.
W rzeczywistości tak silnie oddziałujący układ kwantowy może wykazywać bardzo złożone zachowanie.
Dla badaczy istotne było sprawdzenie, czy wzorce energetyczne utrzymują się przy zmianie rozmiaru systemu.
Wyniki wykazały, że po odpowiednim przeskalowaniu zmierzone widma układały się w jedną uniwersalną krzywą.
Było to zgodne z przewidywaniami teorii dla krytycznego punktu Isinga.
Czym jest punkt krytyczny Isinga?
Model Isinga należy do najbardziej znanych modeli fizyki statystycznej.
W uproszczeniu opisuje układy złożone z elementów mogących przyjmować dwa stany, które oddziałują ze swoimi sąsiadami.
Model ten jest wykorzystywany między innymi do badania magnetyzmu i przejść fazowych.
W jego kwantowych odpowiednikach można analizować zachowanie układu przy zmianie parametrów sterujących oddziaływaniami.
W określonym punkcie krytycznym pojawiają się uniwersalne właściwości przewidywane przez teorię.
W nowym eksperymencie naukowcy odtworzyli takie warunki za pomocą atomów strontu.
Zmierzona drabina poziomów energetycznych była zgodna z przewidywaniami konforemnej teorii pola Isinga.
Badacze sprawdzili również punkt trójkrytyczny
Potwierdzenie pierwszego zestawu przewidywań nie zakończyło eksperymentu.
Naukowcy postanowili sprawdzić także bardziej złożony przypadek.
Dostroili układ do tak zwanego punktu trójkrytycznego.
Jest to szczególny rodzaj punktu, w którym spotykają się różne granice przejść fazowych.
Z matematycznego punktu widzenia jego opis różni się od zwykłego punktu krytycznego Isinga.
Oznacza to, że również charakterystyczne poziomy energii powinny mieć inne proporcje.
I właśnie taką różnicę zaobserwowano.
Badacze zmierzyli najniższe poziomy energetyczne i wykazali, że odpowiadają one przewidywaniom właściwej dla tego punktu teorii.
Dwie teorie potwierdzone w jednym eksperymencie
To jeden z najważniejszych elementów całej pracy.
Eksperyment nie ograniczył się do pojedynczego zestawu przewidywań.
Naukowcy sprawdzili dwa różne rodzaje zachowania krytycznego.
Dla punktu Isinga uzyskali zgodność widm energetycznych z uniwersalną krzywą.
Dla punktu trójkrytycznego potwierdzili odrębne proporcje najniższych poziomów energii.
Wyniki dostarczyły więc bezpośredniego potwierdzenia ważnych przewidywań matematycznych rozwijanych od lat 80. XX wieku.
Fizyk teoretyczny Jason Alicea z Caltech podkreśla, że choć naukowcy od dawna mieli zaufanie do tych teorii, eksperymentalna weryfikacja pozostaje niezwykle cenna.
Dopiero pomiar pozwala sprawdzić, czy przewidywania rzeczywiście opisują zachowanie fizycznego układu.
Dlaczego zgodność z teorią jest tak ważna?
Współczesna fizyka często opiera się na modelach matematycznych o ogromnej złożoności.
Ich przewidywania mogą być bardzo precyzyjne, ale nie zawsze da się je łatwo sprawdzić w laboratorium.
Kiedy eksperyment potwierdza przewidywany wzorzec, wzmacnia to zaufanie do zastosowanego opisu teoretycznego.
W przypadku nowego badania szczególnie ważna była zgodność całej struktury widma energetycznego.
Nie chodziło jedynie o pojedynczy wynik, który przypadkowo pasował do obliczeń.
Badacze zaobserwowali charakterystyczne proporcje i zależności między poziomami energii.
To znacznie silniejszy test matematycznej teorii.
Symulatory kwantowe mogą badać zjawiska niedostępne dla zwykłych komputerów
Nowy eksperyment pokazuje również rosnące znaczenie symulatorów kwantowych.
Urządzenia te nie muszą jeszcze pełnić funkcji uniwersalnych komputerów kwantowych, aby przynosić wartościowe wyniki naukowe.
Mogą służyć jako specjalistyczne laboratoria do badania układów, których zachowanie jest bardzo trudne do obliczenia klasycznymi metodami.
W miarę zwiększania liczby silnie oddziałujących cząstek opis całego systemu może stawać się niezwykle skomplikowany.
Dla niektórych problemów tradycyjne komputery wymagają ogromnych zasobów obliczeniowych.
Symulator kwantowy pozwala natomiast stworzyć fizyczny odpowiednik badanego układu.
Zamiast obliczać wszystkie jego właściwości od podstaw, można je bezpośrednio zmierzyć.
Ta sama platforma pozwoliła już kontrolować 6100 atomów
Badanie drabiny energetycznej przeprowadzono na łańcuchach zawierających maksymalnie 35 atomów.
Jednak możliwości wykorzystywanych technologii są znacznie większe.
Naukowcy wskazują, że podobna platforma kwantowa w tym samym laboratorium pozwoliła już utrzymać i kontrolować układ obejmujący 6100 atomów.
Nie oznacza to, że wszystkie eksperymenty z tak dużą liczbą cząstek są równie łatwe.
Pokazuje jednak, że rozwój technologii umożliwia tworzenie coraz bardziej rozbudowanych układów do badań fizyki kwantowej.
W przyszłości naukowcy chcą wykorzystać te możliwości do analizowania zjawisk bardziej złożonych niż opisane w obecnym eksperymencie.
Kolejnym krokiem mogą być dwuwymiarowe sieci atomów
Dotychczas badacze koncentrowali się na pojedynczych łańcuchach atomowych.
W przyszłości planują rozszerzyć eksperymenty na bardziej złożone struktury.
Jednym z kierunków są dwuwymiarowe sieci atomów.
W takich układach każda cząstka może oddziaływać z większą liczbą sąsiadów, co prowadzi do bogatszego zachowania całego systemu.
Pozwoliłoby to badać nowe rodzaje punktów krytycznych oraz bardziej skomplikowane zjawiska kolektywne.
Możliwe stałoby się również testowanie teorii, dla których nie istnieją jeszcze dokładne rozwiązania matematyczne.
Naukowcy chcą badać układy, których wyników nikt nie zna
Manuel Endres z Caltech zwraca uwagę na szczególną zaletę opracowanej metody.
Nie wymaga ona wcześniejszej znajomości dokładnych poziomów energetycznych.
W obecnym badaniu można było porównać wyniki pomiarów z przewidywaniami ustalonymi wiele lat temu.
To pozwoliło dokładnie sprawdzić skuteczność całej techniki.
Kolejnym celem są jednak układy, dla których nie istnieje podobny zestaw gotowych odpowiedzi.
W takich przypadkach symulator kwantowy może stać się narzędziem odkrywania nowych prawidłowości.
Badacze chcą skierować swoje eksperymenty również na problemy, które pozostają poza praktycznym zasięgiem klasycznych komputerów.
Drabina energetyczna otwiera nowy etap badań
Po ponad 40 latach naukowcy zaobserwowali wzorce energetyczne, których istnienie przewidziano w 1984 roku.
Wykorzystując atomy strontu, lasery oraz stany Rydberga, stworzyli układ pozwalający badać zachowanie materii w kwantowych punktach krytycznych.
Eksperyment potwierdził przewidywania dla punktu Isinga oraz punktu trójkrytycznego.
Co równie ważne, pokazał praktyczną wartość symulatorów kwantowych jako narzędzi do prowadzenia badań podstawowych.
Drabina energetyczna nie jest więc tylko ciekawym wzorem na wykresie.
Stanowi bezpośredni ślad uniwersalnych praw rządzących zachowaniem różnych układów fizycznych w szczególnych warunkach.
Naukowcy przez dziesięciolecia potrafili przewidywać jej istnienie za pomocą matematyki.
Teraz mogą ją również obserwować.
A to oznacza, że kolejny krok nie musi polegać wyłącznie na sprawdzaniu znanych teorii.
Symulatory kwantowe mogą w przyszłości pozwolić zajrzeć tam, gdzie nawet najbardziej zaawansowane obliczenia nie dają jeszcze odpowiedzi.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature .