Kuantum maddesinde ortaya çıkan evrensel model

Suyun kaynaması veya mıknatısın metalleri çekme yeteneğini kaybetmesi gibi farklı malzemeler bir fazdan diğerine geçtiğinde dikkat çekici bir şey olabilir: Aynı matematik kurallarını izleyerek aynı şekilde davranmaya başlarlar. William K. Davis Teorik Fizik Profesörü Jason Alicea şöyle açıklıyor: “Fizikçiler bu özelliğe evrensellik diyor; dağınık, mikroskobik ayrıntılar silinip gidiyor ve yalnızca birkaç temel özellik hayatta kalıyor.” Bu evrensel özelliklerin altında yatan matematik genellikle konformal alan teorisi adı verilen teorik bir çerçeveyle tanımlanır.

Günlükte raporlama DoğaCaltech’in fizik profesörü Manuel Endres’ten oluşan deney grubu ile Alicea’nın teori grubunun işbirliğiyle, Paris-Saclay Üniversitesi ve Münih Teknik Üniversitesi’ndeki teorisyenlerle birlikte, belirli görevler için tasarlanmış kuantum bilgisayarlarının basitleştirilmiş versiyonları olan kuantum simülatörlerini kullanarak iki farklı konformal alan teorisi üzerinde türünün ilk örneği olan deneyler gerçekleştirdi.

Bu kuantum simülatörleri için geliştirilen yeni teknolojiyi kullanan ekip, Ising ve trikritik Ising konformal alan teorileri tarafından tahmin edildiği gibi sentetik kuantum maddesindeki enerji seviyelerinin ilk doğrudan ölçümünü rapor ediyor. (Ising, 1920’lerde manyetizmanın erken bir modelini çözen fizikçi Ernst Ising’i kastediyor.) Her iki teori de, dolanıklık ve süperpozisyon gibi egzotik özellikler sergileyen bir kuantum sisteminin, biri diğerinden daha düzenli olan iki durum arasındaki bir devrilme noktasına yerleştirildiğinde ortaya çıkan evrensel davranışı tanımlar.

Suyun buhara dönüşmesi gibi günlük yaşamdan aşina olduğumuz geçişlerin aksine, bu geçiş sıcaklık tarafından değil, yalnızca mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda meydana gelen kuantum etkileri tarafından yönlendiriliyor. Bu devrilme noktasına gelindiğinde sistem, merdiven basamakları gibi bir dizi spesifik enerjiye ulaşmak için lazerler tarafından uyarılabilir. Alicea, “Bu teorilerin öngördüğü enerji seviyeleri önemlidir çünkü teorilerin kendileri hakkında derin bilgiler kodlarlar” diyor.

Teoriden ölçüme

Kırk yıl boyunca araştırmacılar, kesin oranlarda gelen bu basamaklar arasındaki mesafeleri hesaplamak için konformal alan teorilerini kullandılar, ancak şimdiye kadar hiç kimse bunları bir deneyde ölçmemişti.

Yeni çalışmanın ortak yazarı ve Endres laboratuvarında çalışan yüksek lisans öğrencisi Xiangkai Sun, “Yeni araçlarımız kuantum hesaplama platformlarından ilham alıyor” diyor. “Son 10 yılda insanlar bu sistemleri kontrol etmeyi öğreniyor ve şimdi bunları temel fizik araştırmaları yapmak için kullanabileceğimiz noktadayız.”

Çalışmadaki kuantum sistemi, Endres laboratuvarının kuantum bilgisayarları oluşturmak için kullandığı platformlara dayanıyor: optik cımbız adı verilen lazerler tarafından hapsedilen nötr atom dizileri. Laboratuvardaki ilgili nötr atom platformu yakın zamanda 6.100 atomu tek bir dizide hapsederek bir kilometre taşı oluşturdu. Bu dizilerin arkasındaki cımbız teknolojisi büyük ölçüde kuantum hesaplama göz önünde bulundurularak geliştirilmiş olsa da, yeni çalışmada ekip bunu temel fizikteki bir soruya yöneltti.

Deney için araştırmacılar, stronsiyum atomlarını bir çizgide yakalamak için optik cımbız kullandılar. Atomları, komşu atomların güçlü bir şekilde etkileşime girmesini sağlayan Rydberg durumları adı verilen yüksek enerjili durumlara uyarmak için başka lazerler kullandılar. Atom zinciri daha sonra bağımsız parçacıklar yerine tek bir varlık gibi davrandı. Daha sonra araştırmacılar lazerleri zinciri devrilme noktasına yerleştirecek şekilde ayarladılar.

Enerji merdivenini okumak

Ekip, enerji merdivenini okumak için bu çalışmalar için geliştirilen, çoklu cisim modülasyonu spektroskopisi adı verilen yeni bir araç uyguladı. Bu yaklaşımda araştırmacılar, lazerleri seçilen bir frekansta modüle ederek tüm zinciri yavaşça salladı ve ardından atomların ne kadar güçlü tepki verdiğini ölçtüler. Ekip, frekansları tarayarak ve yanıtın nerede yükseldiğini tespit ederek merdivenin basamaklarının haritasını çıkarmayı başardı. Yöntem, ıslak parmağı şarap kadehinin kenarında gezdirmeye benzer: Doğru hızda bardak ses ile rezonansa girer ve yanlış hızda hiçbir şey olmaz.

Sun, “Denemeyi 35 atoma kadar zincirler üzerinde tekrarladık ve basamaklar Ising uyumlu alan teorisinin öngördüğü gibi ortaya çıktı: spektrum, boyuta göre yeniden ölçeklendirildiğinde tek bir evrensel eğriye çöktü” diyor. “Daha sonra üçlü kritik noktaya ayarladık ve farklı spektrumun en düşük seviyelerini ölçtük; bu, teorinin öngördüğü farklı oranlarda ortaya çıktı.”

Dizideki her atom ayrı ayrı ele alınabildiğinden ekip, geleneksel malzemeleri kullanarak çok daha zor işleri de yapabilir. Uyarıları simetrilerine göre sıraladılar ve ilk ölçümden gizlenen ikinci basamak ailesini ortaya çıkardılar. Zincirin iki ucundaki atomları ayarlayarak merdivenin düzenlenme şeklini değiştirdiler; her ayar, üçlü kritik Ising teorisinin öngördüğü farklı bir model üretti.

Alicea, “Bu teorilerin doğru olduğuna inansak da, deneysel bir gerçekleştirmeye sahip olmak önemlidir, bu da dürtebileceğiniz ve dürtebileceğiniz bir şeydir” diyor. “Bu tahminlerin doğrulandığını görmek çok güzel bir şey.”

Tek boyutlu zincirlerin ötesinde

Gelecekte ekip, konformal alan teorilerini incelemek için sadece bir çizgideki atomları değil aynı zamanda bir ızgaradaki atomları kullanarak daha da büyük bir kuantum sistemi kullanmayı planlıyor. Sun, “İki boyutta konformal alan teorileri yeterince anlaşılmadı, dolayısıyla bu heyecan verici bir fırsat” diyor.

Endres, “Beni heyecanlandıran şey, tekniğin cevabı önceden bilmeyi gerektirmemesi. Burada ölçümlerimizi kesin tahminlerle karşılaştırabiliriz” diyor. “Bir sonraki adım, klasik bilgisayarların ulaşamadığı rejimler de dahil olmak üzere, sistemin tepkisini niceliksel olarak kimsenin bilmediği sistemlere bunu işaret etmektir.”