Vizualizace kvantového simulátoru. Kredit: Ella Maru Studio; K. Hazzard/Rice University.

Vesmírný prostor je téměř prázdný a nesmírně mrazivý. Nikoliv ale absolutně. Jeho teplota je zhruba 2,7 kelvinů, což odpovídá mínus 270 °C. Na tuto hodnotu je vesmír „ohříván“ mikrovlnným reliktním zářením, které poletuje vesmírem téměř od samotného Velkého třesku.

Kaden Hazzard uprostřed. Kredit: Jeff Fitlow / Rice University.

Japonsko americký výzkumný tým, který vedli Yoshiro Takahashi z japonské Kyoto University a Kaden Hazzard z americké Rice University, ve svém experimentu pracoval s částicemi, jejichž teplota byla zhruba 3miliardkrát nižší než teplota vesmírného prostoru. Cílem fyziků přitom bylo zkoumat doposud neprobádanou říši kvantového magnetismu.

Jak trefně poznamenává Hazzard, pokud někde kolem nás mimozemští odborníci neprovádějí podobný výzkum, pak jejich experiment, který běží v laboratořích Kyoto University, vyrábí nejchladnější fermiony v celém vesmíru. V tomto experimentu badatelé používají lasery k ochlazování atomů ytterbia, na teplotu zhruba 1 miliardtiny kelvinu. Je to náročné, ale právě takový postup zajistí, že se hmota stane více kvantovou. Vědci pak mohou zkoumat nové fenomény.

Logo. Kredit: Rice University.

Lasery v takovém experimentu nejen ochladí atomy na bláznivě nízkou teplotu, ale také je „uzavřou“ v optické mřížce či světelných paprscích. Tím vznikne pozoruhodný „kvantový simulátor“, který může řešit komplexní problémy, co jsou mimo dosah výpočetní kapacity konvenčních počítačů. Hazzardův a Takahashiho tým uzavřel v optické mřížce až 300 tisíc atomů ytterbia.

V rámci zmíněného experimentu použili často používaný kvantový model Hubbard, který v roce 1963 vytvořil teoretický fyzik John Hubbard. Tento model se obvykle využívá při výzkumu magnetického a supravodivého chování materiálů, obzvláště pokud jde o „kolektivní chování“ elektronů v materiálech.

Podle Hazzarda v tomto experimentu sehrál zásadní roli speciální teploměr, založený na jejich předchozích výzkumech. V modelu Hubbard využili speciální typ symetrie SU(N), kde „SU“ znamená „special unitary group“, což je matematický popis symetrie a „N“ představuje počet možných spinových stavů částic v modelu. Čím vyšší je hodnota N, tím vyšší je symetrie modelu, a také je složitější magnetické chování, které popisuje. Atomy ytterbia mají 6 možných spinových stavů. Hazzard a spol. tedy zprovoznili kvantový simulátor Hubbard SU(6), a jako první z něj odvodili kvantově magnetické vlastnosti.

Video: Kaden Hazzard - SU(N) magnetism in ultracold atoms & structure of correlations in many-body systems

Literatura

Rice University 1. 9. 2022.

Nature Physics online 1. 9. 2022.