Физики впервые напрямую измерили энергетическую лестницу, которую теория предсказала около 40 лет назад. В программируемой цепочке из атомов стронция исследователи увидели уровни энергии с теми же строгими соотношениями, которые следуют из расчетов конформной теории поля.
За сложным названием скрывается довольно наглядная идея. Когда квантовая система подходит к точке фазового перехода, множество мелких особенностей отдельных частиц перестают определять ее поведение. На первый план выходят общие закономерности, поэтому совершенно разные физические системы могут иметь одинаковую структуру возбуждений.
Теоретики давно знали, какую последовательность энергетических уровней должны образовывать некоторые критические системы. Проверить расчеты напрямую мешала экспериментальная техника: ученым требовалось одновременно контролировать много частиц и достаточно точно различать их коллективные возбуждения.
Для проверки физики выстроили цепочки длиной от семи до 35 атомов стронция-88. Каждый атом удерживал отдельный сфокусированный лазерный луч, а другими лазерами частицы переводили в ридберговское состояние. В сильно возбужденном атоме электрон уходит далеко от ядра, поэтому соседние атомы начинают особенно сильно взаимодействовать. Так исследователи получили управляемую квантовую систему, параметры которой можно менять почти по одному атому.
Затем лазерное поле начали слегка раскачивать с разными частотами. Когда частота совпадала с разностью энергий между двумя состояниями всей цепочки, система резонировала и переходила на более высокий уровень. Повторяя измерение, физики восстановили спектр многочастичных возбуждений.
Возле квантовой критической точки модели Изинга четыре основных уровня дали отношение энергий 2:4:6:8, как и требовали теоретические расчеты. Дополнительное управление отдельными участками цепочки открыло уровни 3:5:7, которые обычное воздействие не показывало. В итоге эксперимент воспроизвел последовательность 2:3:4:5:6:7:8.
Одного совпадения на цепочке фиксированной длины было бы мало. Исследователи повторили измерения для систем разного размера. По мере роста числа атомов расстояния между энергетическими уровнями уменьшались именно по закону, который предсказывает теория. Физики также перестроили установку для трикритической модели Изинга и получили уже другой спектр, снова совпавший с расчетами.
Работа дает физикам инструмент для задач, где готового теоретического ответа пока нет. Тот же метод можно перенести на более крупные атомные массивы и искать закономерности в квантовых системах, которые слишком сложны для точного расчета на классическом компьютере.
