Faseovergange, forskydninger mellem forskellige stoftilstande, undersøges i vid udstrækning fysiske fænomener. Indtil videre er disse overgange primært blevet undersøgt i tredimensionelle (3D) og to-dimensionelle (2D) systemer, men teorier antyder, at de også kunne forekomme i nogle endimensionelle (1D) systemer.
Forskere ved Duke Quantum Center og University of Maryland rapporterede for nylig den første observation af en endelig energifaseovergang i en 1D-kæde af atomer, der blev simuleret på en kvanteenhed. Deres papir, der er offentliggjort i Naturfysikintroducerer en lovende tilgang til at realisere endelige energitilstande i kvantesimuleringsplatforme, der åbner nye muligheder for undersøgelse af faseovergange i 1D-systemer.
Den nylige undersøgelse er en samarbejdsindsats, der kombinerede teoretiske fysikere på University of Maryland med eksperimentelle fysikere i Duke Quantum Center, hvor kvantesimulatoren blev placeret, og hvor eksperimenterne blev udført.
“Vores forskning blev drevet af et ønske om at forstå de grundlæggende tilstande, der kan eksistere i,” fortalte Alexander Schuckert, den førende teoretiske forfatter af papiret, til LektieForum. “Specifikt havde vi til formål at udforske en faseændring i en en-dimensionel (1D) kæde af atomer-et fænomen, der var blevet forudsagt teoretisk, men forblev uobserveret eksperimentelt.”
Konventionelle fysiske teorier antyder, at faseovergange, såsom frysning af vand til is eller en magnet, der går fra en magnetiseret til en demagnetiseret tilstand, ikke forekommer i 1D -systemer. Imidlertid foreslog nogle fysikere for nylig, at faseovergange under nogle specifikke forhold kunne finde sted i en enkelt dimension.
“Teorier fra Physics Heroes Dyson og Tousless (Nobelprisvindere) foreslog, at hvis atomerne interagerer over lange afstande, kunne disse overgange ske,” sagde Schuckert. “Vores primære mål var at skabe et kontrolleret miljø ved hjælp af en kvantesimulator til at observere denne undvigende faseændring.”
Ved hjælp af en enhed, der er kendt som en fanget-ion-kvantesimulator, var forskerne i stand til at simulere et system bestående af 23 ytterbiumioner (dvs. ladede atomer) arrangeret i en 1D-kæde. Denne enhed blev bygget i en flerårig indsats ledet af Christopher Monroe i Duke Quantum Center. Monroe overvågede forskningen sammen med professorer Gorshkov og Hafezi ved University of Maryland.
“Ved omhyggeligt at kontrollere interaktionerne mellem disse ioner ved hjælp af elektromagnetiske felter, byggede vi effektivt en 1D -magnet, atom ved atom ved hjælp af denne kvantesimulator,” forklarede eller Katz, den førende eksperimentelle forfatter af papiret. “En stor udfordring i kvantesimulatorer er at effektivt opvarme systemet og observere en faseovergang som en funktion af temperatur (eller ækvivalent energi), fordi dette kræver kobling til et varmebad.
“For eksempel, når vi opvarmer vand i en kedel, parrer vi vandet til en opvarmet metalplade. Dette er imidlertid udfordrende i kvantesimulatorer, fordi enhver kobling til et bad ville forstyrre kvantetilstanden.”
For at overvinde de udfordringer, der er forbundet med opvarmning af systemer i kvantesimulatorer, udtænkte Schuckert en ny eksperimentel teknik. Denne teknik blev derefter med succes implementeret af Katz og Monroe som en del af de eksperimenter, der blev udført på Duke Quantum Center.
I det væsentlige består denne teknik i at forberede ioner i en bestemt initial tilstand og derefter give dem mulighed for at udvikle sig efter deres egen naturlige dynamik. Denne naturlige udvikling efterlignede de effekter, der ville finde sted efter en stigning i temperaturen.
“Ved hjælp af denne metode observerede vi systemovergangen fra en magnetiseret (ordnet) tilstand til en ikke -monteret (forstyrret) tilstand, hvilket bekræftede forekomsten af faseændringen,” sagde Katz. “Vores mest markante præstation var den første eksperimentelle observation af en faseovergang i en 1D -kæde af atomer, et fænomen, der aldrig var blevet observeret i et fysisk system.
“Dette blev muliggjort af vores eksperimentets evne hos Duke til at konstruere interaktioner mellem lang rækkevidde mellem ionerne og effektivt forberede dem i en opvarmet tilstand.”
Resultaterne af denne nylige undersøgelse fremhæver potentialet for kvantesimulatorer som værktøjer til at udforske eksotiske tilstande af stof. I fremtiden hjælper de eksperimentelle metoder, der er udtænkt af Katz, Monroe, Schuckert og deres kolleger, til bedre at forstå komplekse kvantematerialer, som igen kunne informere udviklingen af nye kvanteteknologier.
“En mulig mulighed for fremtidige undersøgelser vil være at udvide denne forskning ved at arrangere ioner i to-dimensionelle arrays, hvilket ville give studiet af mere komplekse systemer og potentielt opdage nye faser af stof,” tilføjede Schuckert.
“Vi sigter også mod at udvide vores metode til forberedelsesmetode til opvarmet tilstand til mere komplekse modeller af materialer, især at studere lave (men endelige) temperaturer, da vores nuværende metoder er begrænset til forholdsvis høje temperaturer. Opnåelse af dette ville gøre det muligt for os at modellere et bredere interval af fysiske fænomener og uddyber vores forståelse af kvanteadfærd i forskellige materialer. “