Japanska och amerikanska fysiker har använt atomer som är cirka 3 miljarder gånger kallare än det interstellära rymden för att öppna en portal till ett outforskat rike av kvantmagnetism.

"Om inte en främmande civilisation gör experiment som dessa just nu, när som helst detta experiment körs vid Kyoto University gör det de kallaste fermionerna i universum", säger Rice Universitys Kaden Hazzard, motsvarande teoriförfattare till en studie publicerad idag i Naturfysik . "Fermioner är inte sällsynta partiklar. De inkluderar saker som elektroner och är en av två typer av partiklar som all materia är gjord av."

Ett Kyoto-team ledd av studieförfattaren Yoshiro Takahashi använde lasrar för att kyla sina fermioner, ytterbiumatomer, inom ungefär en miljarddels grad av absolut noll, den ouppnåeliga temperaturen där all rörelse stannar. Det är cirka 3 miljarder gånger kallare än det interstellära rymden, som fortfarande värms upp av efterglöden från Big Bang.

"Gevinsten av att bli så här kall är att fysiken verkligen förändras," sa Hazzard. "Fysiken börjar bli mer kvantmekanisk, och den låter dig se nya fenomen."

Atomer är föremål för kvantdynamikens lagar precis som elektroner och fotoner, men deras kvantbeteenden blir bara uppenbara när de kyls inom en bråkdel av en grad av absolut noll. Fysiker har använt laserkylning för att studera kvantegenskaperna hos ultrakalla atomer i mer än ett kvartssekel. Lasrar används för att både kyla atomerna och begränsa deras rörelser till optiska gitter, 1D, 2D eller 3D ljuskanaler som kan fungera som kvantsimulatorer som kan lösa komplexa problem utom räckhåll för konventionella datorer.

Takahashis labb använde optiska gitter för att simulera en Hubbard-modell, en ofta använd kvantmodell skapad 1963 av den teoretiske fysikern John Hubbard. Fysiker använder Hubbard-modeller för att undersöka det magnetiska och supraledande beteendet hos material, särskilt de där interaktioner mellan elektroner producerar kollektivt beteende, ungefär som de kollektiva interaktionerna mellan jublande sportfans som utför "vågen" på fullsatta arenor.

"Termometern de använder i Kyoto är en av de viktiga saker som vår teori tillhandahåller", säger Hazzard, docent i fysik och astronomi och medlem av Rice Quantum Initiative. "Jämför vi deras mätningar med våra beräkningar kan vi bestämma temperaturen. Den rekordhöga temperaturen uppnås tack vare rolig ny fysik som har att göra med systemets mycket höga symmetri."

Hubbard-modellen simulerad i Kyoto har speciell symmetri känd som SU(N), där SU står för special unitary group – ett matematiskt sätt att beskriva symmetrin – och N betecknar de möjliga spinntillstånden för partiklar i modellen. Ju större N-värdet är, desto större är modellens symmetri och komplexiteten hos magnetiska beteenden som den beskriver. Ytterbiumatomer har sex möjliga spinntillstånd, och Kyoto-simulatorn är den första som avslöjar magnetiska korrelationer i en SU(6) Hubbard-modell, som är omöjliga att beräkna på en dator.

"Det är den verkliga anledningen till att göra det här experimentet," sa Hazzard. "För att vi längtar efter att veta fysiken i denna SU(N) Hubbard-modell."

Studiens medförfattare Eduardo Ibarra-García-Padilla, en doktorand i Hazzards forskargrupp, sa att Hubbard-modellen syftar till att fånga de minimala ingredienserna för att förstå varför fasta material blir metaller, isolatorer, magneter eller supraledare.

"En av de fascinerande frågorna som experiment kan utforska är symmetrins roll," sa Ibarra-García-Padilla. "Att ha förmågan att konstruera det i ett laboratorium är extraordinärt. Om vi ​​kan förstå detta kan det vägleda oss till att tillverka riktiga material med nya, önskade egenskaper."

Takahashis team visade att det kunde fånga upp till 300 000 atomer i sitt 3D-gitter. Hazzard sa att att noggrant beräkna beteendet hos till och med ett dussin partiklar i en SU(6) Hubbard-modell är utom räckhåll för de mest kraftfulla superdatorerna. Kyoto-experimenten ger fysiker en chans att lära sig hur dessa komplexa kvantsystem fungerar genom att se dem i aktion.

Resultaten är ett stort steg i denna riktning och inkluderar de första observationerna av partikelkoordination i en SU(6) Hubbard-modell, sa Hazzard.

"Just nu är denna koordination kortvarig, men när partiklarna kyls ytterligare kan subtilare och mer exotiska faser av materia uppträda", sa han. "En av de intressanta sakerna med några av dessa exotiska faser är att de inte är ordnade i ett uppenbart mönster, och de är inte heller slumpmässiga. Det finns korrelationer, men om du tittar på två atomer och frågar "Är de korrelerade?" du kommer inte att se dem. De är mycket mer subtila. Du kan inte titta på två eller tre eller ens 100 atomer. Du måste liksom titta på hela systemet."

Fysiker har ännu inte verktyg som kan mäta sådant beteende i Kyoto-experimentet. Men Hazzard sa att arbetet redan pågår för att skapa verktygen, och Kyoto-teamets framgång kommer att stimulera dessa ansträngningar.

"Dessa system är ganska exotiska och speciella, men förhoppningen är att genom att studera och förstå dem kan vi identifiera nyckelingredienserna som måste finnas där i riktiga material," sa han. + Utforska vidare

Fysiker utnyttjar elektroner för att göra "syntetiska dimensioner"