Για περίπου 40 χρόνια, οι φυσικοί μπορούσαν να υπολογίζουν πώς θα έπρεπε να μοιάζουν ορισμένα κβαντικά ενεργειακά επίπεδα, χωρίς να έχουν καταφέρει να τα μετρήσουν άμεσα. Τώρα, ερευνητές του Caltech παρατήρησαν για πρώτη φορά αυτή τη «σκάλα» σε δύο διαφορετικές θεωρίες σύμμορφου πεδίου, χρησιμοποιώντας μια διάταξη ατόμων που ελέγχεται με λέιζερ.
Το αποτέλεσμα δεν είναι απλώς μια επιβεβαίωση ενός κομψού θεωρητικού υπολογισμού. Δείχνει ότι ένας κβαντικός προσομοιωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάσει συστήματα των οποίων η συμπεριφορά δεν είναι ακόμη δυνατό να υπολογιστεί με ακρίβεια σε κλασικούς υπολογιστές.
Από τις μεταβάσεις φάσης στην κβαντική κρισιμότητα
Όταν το νερό βράζει ή ένας μαγνήτης χάνει τον μαγνητισμό του, ένα σύστημα περνά από τη μία κατάσταση στην άλλη. Σε ορισμένα κβαντικά συστήματα συμβαίνει κάτι ανάλογο, αλλά η μετάβαση δεν προκαλείται από την άνοδο της θερμοκρασίας. Εμφανίζεται κοντά στο απόλυτο μηδέν και καθορίζεται από φαινόμενα όπως η διεμπλοκή και η υπέρθεση.
Οι ερευνητές περιγράφουν αυτή τη συμπεριφορά με τη σύμμορφη θεωρία πεδίου. Οι θεωρίες Ising και τριακριτικής Ising προβλέπουν συγκεκριμένες αναλογίες ανάμεσα στα ενεργειακά επίπεδα ενός συστήματος που βρίσκεται στο κρίσιμο σημείο. Οι αναλογίες αυτές είχαν υπολογιστεί εδώ και δεκαετίες, αλλά έλειπε η άμεση πειραματική μέτρηση.
Άτομα στροντίου σε οπτικές λαβίδες
Η ομάδα του Manuel Endres τοποθέτησε άτομα στροντίου σε μια γραμμική διάταξη, χρησιμοποιώντας οπτικές λαβίδες — πολύ εστιασμένες δέσμες λέιζερ που κρατούν κάθε άτομο στη θέση του. Άλλα λέιζερ διέγειραν τα άτομα σε καταστάσεις Rydberg, όπου η αλληλεπίδραση μεταξύ γειτονικών ατόμων γίνεται ιδιαίτερα ισχυρή.
Έτσι, η αλυσίδα δεν συμπεριφερόταν ως σύνολο ανεξάρτητων ατόμων. Τα άτομα λειτουργούσαν συλλογικά και η ένταση των λέιζερ μπορούσε να ρυθμιστεί ώστε το σύστημα να φτάσει στο επιθυμητό κβαντικό κρίσιμο σημείο.
Πώς αποκαλύφθηκαν τα «σκαλοπάτια»
Για να ανιχνεύσουν τις ενεργειακές στάθμες, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία διαμόρφωσης πολλών σωμάτων. Μετέβαλλαν απαλά τα λέιζερ σε διαφορετικές συχνότητες και κατέγραφαν πόσο έντονα ανταποκρινόταν η αλυσίδα των ατόμων.
Η ιδέα θυμίζει το δάχτυλο που περνά γύρω από το χείλος ενός ποτηριού: όταν η κίνηση ταιριάζει με τη φυσική συχνότητα του ποτηριού, εμφανίζεται συντονισμός. Αντίστοιχα, οι κορυφές στην απόκριση των ατόμων αποκάλυψαν τις ενεργειακές στάθμες.
Σε αλυσίδες έως και 35 ατόμων, τα επίπεδα ακολούθησαν την καθολική καμπύλη που προβλέπει η θεωρία Ising, όταν τα δεδομένα ανακλιμακώθηκαν με βάση το μέγεθος του συστήματος. Στη συνέχεια, οι ερευνητές ρύθμισαν το σύστημα στο τριακριτικό κρίσιμο σημείο και μέτρησαν τις χαμηλότερες στάθμες του διαφορετικού φάσματος, οι οποίες βρέθηκαν στις αναλογίες που προέβλεπε η αντίστοιχη θεωρία.
Η δυνατότητα ελέγχου κάθε ατόμου ξεχωριστά επέτρεψε επίσης στην ομάδα να ταξινομήσει τις διεγέρσεις ως προς τη συμμετρία τους. Με αυτόν τον τρόπο εμφανίστηκε και ένα δεύτερο σύνολο ενεργειακών επιπέδων, κρυμμένο στην αρχική μέτρηση. Αλλάζοντας τη συμπεριφορά των ατόμων στα δύο άκρα της αλυσίδας, οι ερευνητές αναδιάταξαν τη «σκάλα» και παρατήρησαν νέα μοτίβα.
Το επόμενο βήμα είναι τα συστήματα που δεν έχουν γνωστή απάντηση
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature, χρησιμοποίησε ένα σύστημα όπου η θεωρία έδινε ήδη ακριβείς προβλέψεις. Αυτό ήταν απαραίτητο για να ελεγχθεί η μέθοδος. Η αξία της, όμως, μπορεί να φανεί περισσότερο σε προβλήματα όπου κανείς δεν γνωρίζει εκ των προτέρων ποια θα είναι η κβαντική απόκριση.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να επεκτείνουν τα πειράματα σε μεγαλύτερα συστήματα και από γραμμικές αλυσίδες να περάσουν σε δισδιάστατα πλέγματα. Εκεί οι σύμμορφες θεωρίες πεδίου είναι λιγότερο κατανοητές και η άμεση μέτρηση μπορεί να προσφέρει στοιχεία για περιοχές της κβαντικής ύλης που παραμένουν απρόσιτες στους κλασικούς υπολογισμούς.