Физики впервые создали трёхкомпонентную квантовую систему, в которой можно независимо управлять взаимодействием разных групп атомов. Эксперимент позволил наблюдать конкурирующие магнитные эффекты и приблизил учёных к моделированию процессов, которые до сих пор с трудом поддаются расчётам.
Международная команда под руководством Петера Шаусса из Гамбургского университета использовала сверххолодные атомы лития-6, поместив их в искусственную кристаллическую решётку, сформированную лазерным светом. Исследователи научились различать отдельные атомы и менять характер их взаимодействий с помощью магнитного поля. Результаты эксперимента опубликованы 5 ноября в журнале Science.
Главная особенность установки заключается в использовании трёх внутренних квантовых состояний атомов вместо привычных двух. Каждое состояние играет роль отдельного типа частиц, а магнитное поле позволяет независимо регулировать силу взаимодействия между тремя возможными парами. Благодаря такой настройке физики получили возможность воспроизводить сложные коллективные эффекты, возникающие в веществах при взаимодействии большого числа частиц.
В основе исследования лежит модель Хаббарда, описывающая поведение электронов в кристаллической решётке. Обычно физики рассматривают два состояния электронного спина, условно направленного вверх или вниз. Несмотря на сравнительно простые уравнения, поведение даже такой системы чрезвычайно трудно рассчитать. Добавление третьего компонента расширяет возможности эксперимента и позволяет изучать состояния вещества, недоступные в традиционной двухкомпонентной модели.
Для наблюдения за атомами команда разработала квантовый газовый микроскоп, способный определять положение отдельных частиц и различать их внутренние состояния. Лазерная решётка создаёт множество потенциальных ям, между которыми атомы могут перемещаться благодаря квантовому туннелированию. Микроскоп позволяет установить, какие участки заняты, какие частицы находятся рядом и как меняется их распределение при изменении силы взаимодействий.
Одним из главных результатов стало наблюдение состояния моттовского изолятора. В обычном представлении свободные электроны обеспечивают прохождение электрического тока через материал. Однако при достаточно сильном взаимном отталкивании частицы могут оказаться фактически запертыми на своих местах. Перемещение между соседними участками становится энергетически невыгодным, и система приобретает изолирующие свойства даже при наличии доступных электронных состояний.
Моттовские изоляторы особенно интересуют исследователей сверхпроводимости. В некоторых материалах необычные электронные состояния возникают вблизи перехода от моттовского изолятора к проводящему состоянию. Изучение подобных переходов может помочь разобраться в механизмах высокотемпературной сверхпроводимости, при которой электрический ток проходит без сопротивления при температурах значительно выше характерных для обычных сверхпроводников.
Эксперимент также выявил сосуществование разных типов магнитных корреляций. Между одними компонентами наблюдалось ферромагнитное поведение, при котором магнитные моменты стремятся ориентироваться согласованно. Другие пары демонстрировали антиферромагнитные корреляции, соответствующие противоположной ориентации магнитных моментов. Оба эффекта возникали в одной системе, а их соотношение зависело от настроек взаимодействия.
Исследователи дополнительно научились определять количество участков решётки, одновременно занятых атомами всех трёх компонентов. Полученные результаты согласовались с численными расчётами, выполненными специалистами Университета Райса. В опубликованной работе также описаны признаки избирательной локализации отдельных компонентов и образования пар, что подтверждает возможность наблюдать более сложные квантовые состояния.
Реализация трёхкомпонентной системы представляла серьёзную экспериментальную проблему. При столкновении трёх атомов могут происходить процессы, приводящие к потере частиц из ловушки. Дополнительные трудности создаёт нагрев, мешающий поддерживать температуры, необходимые для наблюдения наиболее тонких квантовых эффектов. Тем не менее установка оказалась достаточно стабильной, чтобы исследователи смогли провести измерения и зарегистрировать моттовское состояние.
Доцент Университета Райса Каден Хаззард, участвовавший в теоретической части работы, объяснил, что даже двухкомпонентная модель Хаббарда десятилетиями остаётся предметом нерешённых вопросов. Третий управляемый компонент позволяет проверить, как меняется поведение исходной системы при добавлении новых взаимодействий. Сопоставление лабораторных результатов с численными расчётами также помогает проверять точность теоретических методов.
Установка может пригодиться и для изучения процессов внутри атомных ядер. Три компонента системы напоминают три цветовых заряда кварков, взаимодействия которых описывает квантовая хромодинамика. Речь пока не идёт о непосредственном воспроизведении устройства протона или нейтрона. Исследователи рассчитывают создать лабораторные модели, способные имитировать отдельные математические свойства кварковых систем и проверять предсказания теории.
Следующим этапом станет дальнейшее охлаждение атомов и повышение плотности квантового газа. Учёные надеются обнаружить особое моттовское состояние, связанное с образованием пар частиц, а впоследствии исследовать цветовую сверхтекучесть. Среди перспективных направлений также рассматриваются решётки треугольной геометрии и структуры типа кагоме, в которых конкурирующие взаимодействия способны порождать дополнительные квантовые фазы.
Созданная установка представляет собой специализированный квантовый симулятор, предназначенный для изучения физических моделей, а не универсальный квантовый компьютер. Практическое значение работы пока ограничивается фундаментальными исследованиями. Однако возможность управлять взаимодействиями сразу трёх компонентов и наблюдать отдельные атомы даёт физикам новый инструмент для проверки теорий, точный расчёт которых остаётся сложной задачей даже для современных суперкомпьютеров.
