물리학 과학자들은 수십 년 된 교리의 예측을 검증하기 위해 최첨단 양자 기술 자원을 사용했습니다. 이 연구는 상전이에서 물질의 거동을 설명하는 이론에 중점을 두고 있습니다.
물질이 한 단계에서 다른 단계로 이동할 때, 서로 다른 특성을 가진 물질이 예기치 않게 동일한 수학적 패턴을 나타낼 수 있습니다. 물이 끓는 현상이나 자석이 자기 강도를 잃는 현상과 같은 현상은 이러한 상전이를 보여줍니다.
William K. Davis Chair에서 이론 물리학을 가르치는 Jason Alicea는 “미시적 수준의 복잡한 세부 사항은 사라지고 몇 가지 기본적인 흔적만 남습니다.”라고 설명합니다. 그는 물리학의 복잡한 시스템에 대한 이해를 단순화하는 데 중요한 이러한 보편적인 동작이 주로 등각장 이론이라는 수학적 공식으로 설명된다는 점을 지적합니다.
Nature 저널에 발표된 연구에서 Caltech 물리학 교수 Manuel Endres의 실험팀과 Alicea의 이론 그룹은 University Paris-Saclay 및 뮌헨 기술 대학의 연구원들과 협력했습니다. 그들은 양자 컴퓨터 개발과 연결된 특정 작업을 위한 특정 플랫폼인 양자 시뮬레이터를 사용하여 등각장 이론의 두 가지 서로 다른 변형을 실험적으로 탐색했습니다.
이러한 시뮬레이터용으로 개발된 기술을 통해 연구원들은 Ising 등각 및 Ising 삼임계 장 이론에 의해 예측된 대로 인공 양자 물질의 에너지 수준을 전례 없는 직접적인 방법으로 측정할 수 있었습니다. 이싱(Ising)이라는 용어는 1920년대에 자기의 최초 모델 중 하나를 밝힌 물리학자 에른스트 이싱(Ernst Ising)을 의미합니다. 두 가지 이론적 접근 방식은 얽힘 및 중첩과 같은 특성을 갖는 양자 시스템이 두 상태 사이의 임계 단계에 도달할 때 발생하는 보편적인 발현을 설명합니다. 그 중 하나는 더 조직적입니다.
물의 증발과 같은 일반적인 상태 변화와는 달리, 이 변환은 양자 현상에 의해서만 생성되며 온도와 무관하며 절대 영도에 가깝게 발생합니다. 임계점에서 레이저 빔은 시스템을 단계와 유사한 일련의 특정 에너지로 자극할 수 있습니다. “이론에 의해 예측된 이러한 에너지 수준은 교리 자체에 대한 심층적인 정보를 포함하고 있기 때문에 매우 중요합니다.”라고 Alicea는 말했습니다.
양자 기술은 오랫동안 유지되어온 이론적 예측을 테스트합니다.
약 40년 동안 물리학자들은 이러한 에너지 수준을 제한하는 정확한 비율을 예측하기 위해 등각장 이론을 사용해 왔습니다. 그러나 현재 연구까지 이러한 에너지 거리는 실험을 통해 검증된 적이 없었습니다.
연구 공동 저자이자 Endres 연구실 대학원생인 Xiangkai Sun은 “우리의 새로운 도구는 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 영감을 얻었습니다.”라고 말했습니다. “지난 10년 동안 우리는 이러한 시스템을 제어하는 방법을 배웠으며 이제 이를 물리학의 기초 연구에 적용할 수 있습니다.”
연구팀은 Endres의 양자 컴퓨터 연구실에서도 적용된 기술, 즉 광학 핀셋으로 알려진 레이저 빔에 의해 고정된 중성 원자 배열을 사용하여 양자 시스템을 조립했습니다. 최근 실험실의 유사한 시스템이 단일 구조에 6,100개의 원자를 가두는 데 성공했습니다. 광학 핀셋은 주로 양자 컴퓨팅을 위해 개발되었지만 과학자들은 이 연구에서 물리학의 필수적인 질문을 탐구하기 위해 광학 핀셋을 사용했습니다.
예상 스펙트럼은 원자 사슬에서 나타납니다.
실험 과정은 광학 핀셋을 사용하여 스트론튬 원자를 일렬로 배치하는 것으로 시작되었습니다. 보완 레이저는 원자를 고에너지 리드베리 상태로 유도하여 근처 원자 사이의 상호 작용을 강화했습니다. 이러한 상호 작용은 고립된 입자와 달리 전체 체인을 통합된 동작으로 이끌었습니다. 그런 다음 과학자들은 시스템이 이론에 의해 예측된 임계 수준에 도달할 때까지 레이저를 보정했습니다.
에너지 수준을 측정하기 위해 연구자들은 다체 변조 분광학이라는 접근 방식을 만들었습니다. 그들은 원자 사슬을 섬세하게 자극하여 특정 주파수에서 레이저를 변경하고 원자 반응의 강도를 기록했습니다. 주파수를 조사하고 응답 피크를 감지함으로써 에너지 규모를 재구성하는 것이 가능했습니다. 이 개념은 와인 잔 테두리 주위로 젖은 손가락을 밀어 넣는 것과 유사합니다. 즉, 용기는 정확한 주파수에서 강하게 진동하지만 주파수가 정확하지 않으면 거의 반응하지 않습니다.
Sun은 “우리는 최대 35개의 원자를 가진 사슬에 대한 실험을 재현했으며 Ising의 등각 장 이론에 의해 예상된 대로 단계가 나타났습니다. 스펙트럼은 크기에 맞게 조정된 후 단일 보편적 곡선으로 수렴했습니다.”라고 말했습니다. “그 후, 우리는 삼임계점을 교정하고 이론에 규정된 다양한 비율로 나타나는 특정 스펙트럼의 더 낮은 수준을 측정했습니다.”
새로운 에너지 패턴의 발견은 대칭으로 가능하다
각 원자에 대한 개별화된 제어를 통해 연구자들은 일반적인 물질에서는 실행 불가능한 측정을 수행할 수 있었습니다. 대칭성을 기준으로 여기의 순서를 지정하면 초기 측정에서는 식별되지 않았던 에너지 수준의 두 번째 범주가 밝혀졌습니다. 사슬 끝의 원자 변형은 에너지 규모도 변경하여 삼임계 이싱 이론에서 예상한 것과는 다른 배열을 가져왔습니다.
