Важный шаг на пути к обнаружению фрактонов в квантовых спиновых жидкостях.
Ученые приблизились к обнаружению практически неподвижных квантовых частиц, которые могут предложить новый способ защиты квантовой информации.
Исследователи из HZB сделали важный шаг на пути к приближению одного из самых необычных предсказаний квантовой физики к экспериментальной реальности. Фрактоны, экзотические квазичастицы, ранее предсказанные в квантовых спиновых жидкостях с использованием сильно обобщенных теорий калибровочного поля, теперь также появились в симуляциях более реалистичной модели квантового твердого тела.
Квазичастицы возникают в результате коллективного поведения множества взаимодействующих частиц внутри твердого тела. Например, колебания, распространяющиеся по кристаллической решетке, можно описать как квазичастицы, известные как фононы.
Фрактоны гораздо более необычны. Они появляются на углах магнитных доменных стенок, разделяющих различные спиновые конфигурации, и их определяющей особенностью является крайне ограниченная подвижность. Отдельный фрактон, по сути, не способен двигаться самостоятельно и может перемещаться только за счет взаимодействия с другими фрактонами.
Это ограничение потенциально может оказаться полезным. Поскольку фрактоны очень трудно перемещать, исследователи предположили, что они могут обеспечить способ более надежного хранения квантовой информации.
Физики предсказали, что фрактоны могут возникать в нескольких типах систем, включая квантовые спиновые жидкости. Это необычные состояния вещества в кристаллах, где магнитные моменты электронов никогда не фиксируются в одном положении, даже при 0° К. Вместо этого они продолжают флуктуировать, подобно постоянному движению атомов в жидкости.
Включение фрактонов в более реалистичные модели
До сих пор предсказанные в квантовых спиновых жидкостях фрактоны не наблюдались непосредственно в экспериментах. Теоретические предсказания этих частиц основывались на сильно обобщенных теориях калибровочного поля (калибровочные теории U(1) ранга 2).
Исследование, проведенное профессором Йоханнесом Ройтером и доктором Нильсом Ниггеманном, приблизило эту идею к экспериментальной проверке, показав, что фрактоны могут возникать и в более реалистичной модели квантового твердого тела.
В отличие от классических моделей, эти симуляции учитывают квантовые эффекты. Однако в более ранних работах исследовательской группы возникла серьезная проблема. Когда квантовые эффекты были слишком сильными, фрактоны исчезали. Когда же они были слишком слабыми, фрактоны могли существовать только в виде классических частиц, не проявляя истинного квантового поведения.
Усовершенствовав способ представления взаимодействия между спинами в модели, исследователи смогли преодолеть эту трудность. Их новые численные симуляции подтверждают, что искомая фаза материи может существовать в более реалистичных квантовых условиях.
От квантовой теории к экспериментальному обнаружению
«При моделировании этого сложного спинового взаимодействия нам очень помогают личные обмены мнениями с коллегами из HZB, занимающимися экспериментальной физикой твердого тела», - сказал Йоханнес Ройтер.
Следующая задача - выявить или создать реальные физические системы, воспроизводящие условия, предполагаемые в теоретической модели. Это позволит исследователям экспериментально проверить, действительно ли предсказанные фрактоны существуют.
Имитаторы атомов Ридберга представляют собой одну из возможных платформ для такого эксперимента и могут открыть многообещающий путь к окончательному обнаружению этих неуловимых квантовых квазичастиц.
