В 1920-х годах физик Эрнст Изинг предложил простую модель, описывающую, как атомы в магнитном материале выстраиваются в едином направлении. Эта модель стала классикой, но ее более сложные варианты (например, трикритическая модель Изинга) оставались теоретическими конструкциями — их нельзя было проверить напрямую, потому что для этого нужны системы, где взаимодействия между частицами доминируют над тепловым движением, сообщает Quantum Zeitgeist.
Модель Изинга описывает взаимодействие между соседними спинами в кристаллической решетке. В простейшем случае, каждый спин может быть направлен вверх или вниз, и система стремится к состоянию с минимальной энергией. Трикритическая модель — это обобщение, где существуют точки, в которых меняется сам тип фазового перехода (например, переход первого рода становится переходом второго рода). Эти модели относятся к классу конформных теорий поля (КТП), которые описывают системы в точках, где масштабные инварианты носят универсальный характер.
Исследователи из Калифорнийского технологического института использовали массив лазерных пинцетов для удержания атомов стронция в одномерной цепочке. Затем они возбуждали атомы в ридберговские состояния — состояния с высоким главным квантовым числом, где электрон находится далеко от ядра. В таких состояниях радиус атома может достигать микронов, что делает взаимодействие между соседними атомами очень сильным. При правильной настройке лазеров цепочка ведет себя как единая квантовая система, подчиняющаяся модели Изинга.
Для того чтобы измерить энергетические уровни системы, ученые применили новый метод: они слегка «встряхивали» цепочку лазерами, изменяя параметры взаимодействия с небольшой амплитудой и на разных частотах.
Измеряя отклик системы, они могли определить, на каких частотах система поглощает энергию — это соответствовало переходам между энергетическими уровнями. Спектры, полученные для цепочек разной длины (до 35 атомов), после масштабирования по размеру «схлопывались» в одну универсальную кривую — как и предсказывала теория.
Кроме того, команда исследовала трикритическую точку модели Изинга — особый параметр, где сходятся линии фазовых переходов первого и второго рода. Манипулируя атомами на концах цепочки, они «включили» дополнительные степени свободы, которые ранее были скрыты. Измерения показали энергетические уровни в соотношениях, которые теоретически предсказывались для трикритической точки.
Результаты, полученные на цепочке из 35 атомов стронция, применимы к огромному классу систем — от магнетиков до ядерной материи.
Сейчас команда планирует перейти от одномерных цепочек к двумерным решеткам. Это значительно сложнее: в двух измерениях конформные теории поля менее изучены. В перспективе исследователи хотят применять эту технику к системам, которые невозможно смоделировать на классических компьютерах — например, к моделированию высокотемпературной сверхпроводимости или квантовых фазовых переходов в сложных материалах.
В прошлом году шведские ученые приблизились к созданию в высшей степени эффективных компьютерных систем малой мощности, способных решать сложные задачи оптимизации. Результатом их исследований может стать появление машин Изинга, низкоэнергетического конкурента квантового компьютера, работающего при комнатной температуре.
