Когда вода закипает или магнит теряет свою силу, самые разные материалы вдруг начинают вести себя по одним и тем же правилам. Физики называют это универсальностью. Все сложные микроскопические детали исчезают, и остается лишь простая математическая закономерность. Описывают эти закономерности так называемые конформные теории поля.
Международная группа ученых впервые провела эксперимент, в котором напрямую измерила энергетические уровни в искусственной квантовой системе и сравнила их с предсказаниями двух известных теорий — модели Изинга и ее уточненного варианта, трикритической модели Изинга. Эти теории описывают момент, когда квантовая система находится на границе между двумя состояниями — более упорядоченным и менее упорядоченным. Причем переход происходит не из-за нагрева или охлаждения, а исключительно за счет квантовых эффектов при экстремально низких температурах.
В эксперименте атомы стронция выстроили в цепочку с помощью лазерных лучей — так называемых оптических пинцетов. Затем атомы перевели в особое высокоэнергетическое состояние, из-за которого соседние атомы начинали сильно взаимодействовать друг с другом. Вся цепочка вела себя как единое целое. Лазеры настроили так, чтобы система оказалась точно в критической точке перехода.
Чтобы измерить энергетические уровни, ученые применили новый метод — они слегка «встряхивали» цепочку лазерами на разных частотах и смотрели, как атомы реагируют. Там, где отклик был особенно сильным, обнаруживались энергетические «ступеньки». Это похоже на то, как если провести мокрым пальцем по краю бокала: на правильной частоте бокал начинает звенеть, а на неправильной — тишина.
Эксперимент на цепочках из 35 атомов дал результаты, которые полностью совпали с предсказаниями теории Изинга. Когда ученые перенастроили систему на трикритическую точку, они измерили нижние уровни энергии — и те тоже соответствовали теории.
Поскольку каждым атомом можно управлять по отдельности, исследователи смогли разделить возбуждения по их симметрии и обнаружили второй набор «ступенек», который был невидим при обычном измерении. Меняя условия на концах цепочки, они получали новые узоры — и каждый раз теория трикритического Изинга точно их предсказывала.
Хотя эти теории известны уже десятилетиями — первая модель Изинга появилась еще в 1920-х годах, а конформные теории поля используют более 40 лет, — никто раньше не проверял их прямым экспериментом на квантовых системах.
В будущем ученые планируют перейти от цепочек к двумерным решеткам атомов. Там конформные теории поля изучены гораздо хуже, и эксперимент может дать ответы, которые не под силу даже самым мощным классическим компьютерам.
Читайте также: Квантовая гравитация может заменить темную энергию в объяснении ускорения Вселенной