Физики впервые напрямую измерили энергетические уровни, предсказанные двумя конформными теориями поля, с помощью квантовых симуляторов. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature. Исследование показало, что искусственно созданная квантовая материя подчиняется универсальным математическим закономерностям.
Универсальность проявляется в системах, которые переживают резкий переход между двумя состояниями. При этом микроскопические особенности вещества перестают играть главную роль, а поведение определяется небольшим числом общих параметров. Такой подход применяют для описания самых разных явлений, включая кипение воды и утрату магнитных свойств.
Работу выполнили экспериментальная группа Мануэля Эндреса из Калифорнийского технологического института, теоретическая группа Джейсона Алисеа, а также специалисты Университета Париж-Сакле и Мюнхенского технического университета. Учёные исследовали модели Изинга и трикритического Изинга. Название первой связано с физиком Эрнстом Изингом, который в 1920-х годах решил одну из ранних моделей магнетизма.
Эксперимент проводили при температурах, близких к абсолютному нулю, где переход между состояниями определяется не нагревом, а квантовыми эффектами. Стронциевые атомы выстроили в цепочку с помощью оптических пинцетов — сфокусированных лазерных лучей. Затем атомы перевели в ридберговские состояния, в которых соседние частицы начинают сильно взаимодействовать и действуют как единая система.
Чтобы обнаружить энергетическую структуру, исследователи разработали метод спектроскопии многочастотной модуляции. Они изменяли частоту лазерного воздействия и фиксировали реакцию всей цепочки, находя пики, соответствующие отдельным уровням. По словам Джейсона Алисеа, «энергетические уровни, предсказанные этими теориями, важны, потому что они содержат глубокую информацию о самих теориях».
Измерения проводили на цепочках длиной до 35 атомов. После пересчёта с учётом размера системы уровни совпали с единой универсальной кривой, которую предсказывает теория Изинга, а при достижении трикритической точки учёные получили другой набор соотношений, соответствующий модели трикритического Изинга. Команда также классифицировала возбуждения по симметрии и обнаружила скрытый набор энергетических уровней, а изменение условий на концах цепочки изменило структуру спектра так, как предсказывает теория. Как сообщает ScienceDaily, следующим этапом станут более крупные системы и двумерные решётки атомов, где конформные теории поля изучены значительно хуже.