Kuantum gaz mikroskobu, ilk ayarlanabilir üç bileşenli Hubbard sistemindeki bireysel atomları ortaya koyuyor

Almanya, Tayland, Hindistan, Çin ve Amerika Birleşik Devletleri’nden gelen uluslararası bir araştırmacı ekibi ilk kez laboratuvarda ayarlanabilir etkileşimlere sahip üç bileşenli bir Hubbard sistemi oluşturdu. Bunu yaparken ekip, tek tek atomları görünür kılmak için kuantum gaz mikroskobunu kullandı. Çalışma, şu tarihte yayınlandı: Bilimnükleer fizik ve malzeme biliminin gelecekteki kuantum simülasyonları için önemli bir temel sağlar.

İki dönüş durumunun ötesinde

Ultra soğuk atomlar genellikle katı hal fiziğinde bulunanlara benzeyen sistemler oluşturmak için kullanılır. Bu bağlamda fermiyonik atomlar katılarda elektronların rolünü oynarlar. Bu sistem, bir kafes üzerindeki fermiyonların etkileşimlerini açıklayan en önemli modellerden biri olan Hubbard modelini gerçekleştirmesi açısından benzersizdir. Bu yaklaşımın özellikle yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin anlaşılması açısından umut verici olduğu düşünülmektedir.

Standart Hubbard modeli tipik olarak iki dönüş durumunu dikkate alır: dönüş yukarı ve aşağı dönüş. Üçüncü bir bileşen, sistemi önemli ölçüde daha çok yönlü hale getirerek araştırmacıların daha zengin kuantum mekaniksel aşamaları araştırmasına olanak tanır.

Rice Üniversitesi’nden fizik ve astronomi doçenti ve bu çalışmanın ortak yazarı Kaden Hazzard şöyle konuştu: “Hubbard modeli önemli ve yazılması basit olmasına rağmen, çözülmesi kolay değil. Teorisyenler on yıllardır iki bileşenli Hubbard modeli üzerinde kafa yoruyorlar, ancak hala önemli açık sorular var. Ayarlanabilir üçüncü bir bileşenin eklenmesi, iki bileşenli modelin buna nasıl tepki verdiğini görmemize olanak tanıyor ve potansiyel olarak bu ana soruları yanıtlamamıza yardımcı oluyor” dedi.

“Deneyler, teorik fikirler için harika bir test alanıdır. Sohail ve ben, halihazırda yeteneklerimizin sınırlarını zorlayan deneylerle karmaşık sayısal hesaplamaları karşılaştırabildik. Bu karşılaştırmalar, teorik araçlarımızı geliştirmemize yardımcı olmak için geri bildirim sağlayacak. Heyecan verici ve hızla gelişen bir zaman.”

Üç bileşenli sistemi oluşturma ve görüntüleme

Optik bir kafesteki ultra soğuk atomlar kuantum simülasyonları için mükemmel bir platformdur. Kafesin en düşük enerji durumundaki atomlar, bir kafes bölgesinden diğerine tünel açarak etkili bir şekilde yer değiştirdikleri bir kuantum sistemi oluşturur. Aynı fermiyonlar aynı yerde bulunamaz, ancak ayırt edilebilir fermiyonlar tek bir yerde buluşursa manyetik alana bağlı bir etkileşim enerjisi ortaya çıkar.

Mevcut çalışmada, Hamburg Üniversitesi’nde ve CUI: Maddenin Gelişmiş Görüntülenmesi Mükemmeliyet Grubu’nda araştırma yürüten Peter Schauss liderliğindeki ekip, ilk kez ayarlanabilir etkileşimlere sahip ultra soğuk atomları kullanan üç bileşenli bir Hubbard modelini gerçekleştirdi. Ekip ayrıca deneydeki temel durumları ve aşamaları tespit etmeye çalıştı.

Schauss, “Etkileşimlerin sahaların çifte işgalini bastırdığı sözde Mott durumunu gözlemlemek bizim için özellikle önemliydi” dedi. Bu durumda, güçlü etkileşimler parçacıkların kafes bölgeleri arasında serbestçe akmasını engelleyerek yalıtım davranışına yol açar. Paradoksal olarak, yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin ortaya çıktığı yer Mott’a yakındır.

Araştırmacılar, her bir atomu uzaysal çözünürlükle tespit edebilen bir kuantum gaz mikroskobu kullandılar. Deney, farklı iç durumlardaki atomları kullanarak çeşitli fermiyon türlerini gerçekleştirmeyi başardı ve bu da ekibin sonuçta üç farklı durumu kullanmasına olanak sağladı.

Bu, katı hal fiziğinde bilinen bir kafes üzerindeki elektronlardan çok farklı olmasına rağmen, kuarkların üç farklı renge sahip olabildiği nükleer fiziğe benzeyen bir sistemle sonuçlanır.

Kararlı atomlar rakip manyetik korelasyonları ortaya koyuyor

Schauss, “Deneysel gerçekleştirmenin şaşırtıcı derecede istikrarlı olduğu ortaya çıktı” dedi. “Genellikle üç cisim çarpışmasının sistemi hızla yok edebileceğinden korkulur. Bu potansiyel tehlikeye rağmen ölçümleri başarıyla gerçekleştirebildik ve bir Mott yalıtkanını gözlemleyebildik.”

Ayrıca araştırmacılar başka birçok aşamayı da belirlediler. Bunlar her durumda üç durum arasındaki etkileşimlerin gücüne bağlıdır. Örneğin, aynı sistemde hem iki durum arasında ferromanyetik korelasyonların hem de diğer iki durum arasında antiferromanyetik korelasyonların meydana gelebileceği bulunmuştur.

Ek olarak, araştırmacılar üç kez işgal edilen kafes alanlarının sayısını belirlemek için bir yöntem geliştirdiler. Ölçülen değerler, Rice’taki işbirlikçileri tarafından gerçekleştirilen sayısal hesaplamaların sonuçlarıyla uyumluydu. Araştırmacılar, laboratuvarda kuantum renk dinamiğinin kafes modellerini inceleyebilmek için modellerindeki etkileşimleri daha da hassaslaştırmayı planlıyor.