Sciencemag.cz
Doporučujeme
Fotony se mohou při teplotě v blízkosti absolutní nuly chovat jako magnetické dipóly. Takový je nový výsledek z kvantového simulátoru, který přinesl tým fyziků ze švýcarského EPFL a z Paris Diderot University.
Magnetické materiály patří mezi systémy kondenzovaných látek, které obsahují velké množství interagujících částic a vykazují velmi složité chování. I s využitím těch nejsložitější počítačových programů je jejich studium značně obtížné. Složité chování podléhající zákonům kvantové mechaniky se ale dá modelovat s pomocí umělých struktur, takzvaných kvantových simulátorů. Tento způsob navrhl poprvé v roce 1981 Richard Feynman.
Studium kvantových jevů je komplikované, neboť vyžaduje vývoj zcela nových zařízení a metod měření. Zjednodušení řečeno, hlavní potíž spočívá v tom, „jak pozorovat něco, co ještě neznáme, když k tomu potřebujeme znát to, co teprve musíme odhalit“. Kvantové simulátory by tento problém mohly vyřešit. Vědcům by měly umožnit hlouběji prozkoumat některé kvantové jevy a modelovat zcela nové a dosud neznámé fyzikální procesy.
Kvantové simulátory jsou systémy, jejichž vlastnosti jsou známé a které napodobují chování jiných kvantových objektů. Nový simulátor navržený švýcarskými a francouzskými fyziky dokáže zobrazit stejné chování, které popisuje tzv. Isingův model. Tento fyzikální model se používá pro popis fázových přechodů látek. Vychází z předpokladu, že každá mřížková poloha má vždy jen dvě možné vlastnosti a že mezi elementy umístěnými v mřížkových polohách je zadána interakce. Pokud jsou magnety ochlazovány až do blízkosti absolutní nuly, musejí projít kvantovým fázovým přechodem a to znamená, že přeskakují mezi dvěma stavy.
Simulátor se skládá ze souboru nelineárních optických rezonátorů. Když se do rezonátoru vpraví ve dvojicích fotony, parita určitého množství fotonů zůstane zachována. Tato symetrie se může spontánně zlomit a způsobit tak kvantový fázový přechod.
Fotony se v rezonátorech ve skutečnosti chovají stejně, jako se v reálných materiálech chovají magnetické dipóly v oblasti kvantových fázových přechodů v těsném okolí absolutní nuly. Tento přechod mezi dvěma různými stavy hmoty nastává v důsledku kvantových fluktuacích podle Heisenbergova principu neurčitosti.
Fyzici řešili základní rovnice popisující fotony v rezonátorech použitím numerické simulace „corner-space renormalization“. Analýza výsledků překvapivě ukázala univerzální chování, původně očekávané pro kvantové magnety. Vědci zjistili, že tato univerzálnost vzniká, jakmile kvantové stavy fotonů, produkovaných injektováním párů, souhlasí s magnetickýmí dipóly, které mají teplotu blízkou absolutní nule.
Vědci teď díky tomu budou moci použít částice světla (fotony) k provedení virtuálního experimentu na kvantových magnetech, namísto toho aby prováděli experiment skutečný. Simulátor je možné vyrobit v laboratoři použitím supravodivých kotoučů, které by v poli laserů mohly způsobit interakci fotonů.
Řada laboratoří po celém světě už tento postup vyzkoušela. Navíc nejnovější experiment na Yale University ukázal, že je možné injektovat páry fotonů do dvou spojených rezonátorů. Švýcarští fyzici, kteří se těmito výsledky inspirovali, jsou přesvědčeni, že jejich simulátor bude brzy v provozu. Techniku z Yale budou aplikovat na velký počet rezonátorů. Teď hledají způsob, jak simulovat další kvantové kolektivní jevy. Předběžné výsledky ukazují, že simulátor může napodobit jev geometrické frustrace v reálných kvantových magnetech. V budoucnu chtějí vědci použít simulátor ke studiu transportu magnetických spinů a vzniku asymetrie prostorového rozložení (chirality).
Původní výsledky byly publikovány v Physical Review Letters.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
Pozvánka: 16. Robotický den 2019
V pořadí již šestnáctý Robotický den je největší soutěží amatérských robotů v České republice.
Neděle 2. června 2019
Kongresové centrum Praha
Podrobnosti
