Kvantelektrodynamik (QED) är den grundläggande kvantteorin som styr beteendet hos laddade partiklar och ljus i vakuum. Styrkan hos interaktionerna i QED kvantifieras med den fina strukturkonstanten α, som i vårt universum är både oföränderlig och evig (α ~ 1/137). Små strukturkonstantens litenhet har långtgående konsekvenser i den fysiska världen-den bestämmer antalet stabila kemiska grundämnen, möjliggör långväga, ljusbaserad kommunikation, etc.

En av de stora insikterna nyligen inom kondensmaterialets fysik är att QED-liknande teorier beskriver beteendet hos kvantspinnis, en klass av fraktionerade magneter. Istället för att beställas i ett enkelt mönster, atomspinnet i dessa system fluktuerar i invecklade mönster ner till de lägsta mätbara temperaturerna. Den resulterande fasen kännetecknas av närvaron av magnetiska laddningar som interagerar med ljusliknande vågor i spinnbakgrunden.

Forskare vid Boston University, Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme har nyligen genomfört en studie som undersöker den fina strukturkonstant som uppstår i QED för kvantspinnis. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att i kvantspinnis, denna grundläggande konstant är stor, vilket innebär att dessa magnetiska system kan vara idealiska för att studera fysiska fenomen som härrör från starka partikelinteraktioner.

"Vi funderade på möjliga signaturer av den framväxande QED i kvantspinnis och fann att de mest distinkta signaturerna involverade effekter av interaktioner mellan de framväxande laddningarna och fotonerna, "Christopher R. Laumann och Siddhardh C. Morampudi, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e -post. "Vi insåg då att det grundläggande dimensionslösa talet (den framväxande finstrukturkonstanten) som kännetecknar styrkan i denna interaktion ännu inte var bestämt i något tidigare arbete, och tidigare verk hade bara fokuserat på att karakterisera ljusets hastighet. "

Laumann, Morampudi och deras kollegor gav sig ut för att undersöka den fina strukturkonstanten för kvantspinnis, eftersom de trodde att detta skulle erbjuda en mer fullständig karakterisering av deras QED. Observationen av ett relativt stort α -värde var en trevlig överraskning för dem, eftersom ett sådant värde skulle förbättra de interaktionsförmedlade signaturerna för det framväxande QED.

"Med hjälp av storskalig exakt diagonalisering för att få energikostnaden för ett elektriskt flödesrör, vi kunde extrahera den elektriska laddningen, "Laumann och Morampudi sa." Detta gjorde att vi sedan kunde ta oss från gittermodellen till den långvåglängd som växer fram i beräkningsmässigt tillgängliga system med begränsad storlek. "

De numeriska simuleringarna utförda av Laumann, Morampudi och deras kollegor är de första som beräknar den fina strukturkonstanten i en framväxande QED, specifikt en realiserad i kvantspinnis. Teamet visade att i systemet simulerade de, a-konstanten är vanligtvis en storleksordning större än den fina strukturkonstanten för vanligt QED. Dessutom, de visade att i kvantspinnis kan konstanten ställas in hela vägen från noll till den starkaste kopplingen som QED begränsar.

"Den fina strukturkonstanten för den vanliga QED är liten och fixerad enligt naturen, "Laumann och Morampudi sa." Att ha en framväxande QED med en stor och även justerbar finstrukturskonstant ger en trevlig lekplats för att förstå processer i QED som kraftigt undertrycks på grund av den lilla kopplingen. "

Ett av de primära teoretiska verktygen för att studera kvantefältteorier är störningsteori. Under de senaste decennierna har dock, många forskare har börjat utforska vad som händer med fältteorier vid stark koppling, i fall där störningsteori inte är en särskilt användbar konstruktion.

"Detta har lett till en mängd olika icke-störande verktyg vars effektivitet kan testas om vi har en experimentell lekplats för starkkoppling av QED i kvantspinnis, "Laumann och Morampudi sa." Vårt arbete identifierar också kvantspinnis som ett bra mål för snabbt utvecklande kvantsimulatorer, med löfte om att avslöja intressant fysik för starkkopplad QED som belöning. "

Under de senaste åren har ett växande antal fysiker har börjat genomföra studier för att undersöka kandidater för kvantspinnis, särskilt pyroklorer av sällsynt jordart. Några av de kandidater som identifierats i dessa studier kan uppvisa ytterligare interaktioner som gör att systemen blir ordnade, snarare än att förbli i en kvantspinnvätskefas. Den stora fina strukturkonstanten beräknad av Laumann, Morampudi och deras kollegor innebär närvaron av betydande interaktionsförmedlade effekter, såsom en stor förbättring av det oelastiska neutronspridningstvärsnittet nära tröskeln.

"Det har varit spännande tips om rätt fysik i några av materialen, men störning och de små energivågorna (begränsande experimentell upplösning i neutronspridning till exempel) har hittills varit begränsande faktorer, "Laumann och Morampudi sa." I våra nästa studier, vi planerar att utforska fler konsekvenser av den stora fina strukturkonstanten i potentiella förverkliganden av kvantspinnis, och driva mot simuleringar av dem i kortsiktiga kvantdatorer. Vår förhoppning är att bättre förstå hur öppna frågor i starkkopplad QED potentiellt kan besvaras i sådana inställningar. "

© 2021 Science X Network