La matière SU(N) est environ 3 milliards de fois plus froide que l’espace

La matière SU(N) est environ 3 milliards de fois plus froide que l'espace

Représentation artistique des corrélations magnétiques complexes observées par des physiciens à l’aide d’un simulateur quantique révolutionnaire à l’Université de Kyoto qui utilise des atomes d’ytterbium, qui sont environ 3 milliards de fois plus froids que l’espace. Différentes couleurs représentent les six états de spin possibles de chaque atome. Le simulateur utilise jusqu’à 300 000 atomes, permettant aux physiciens d’observer directement comment les particules interagissent dans les aimants quantiques, dont la complexité même des superordinateurs les plus puissants ne peut égaler. Crédit : Ella Maru Studio/K. Hazzard / Université Rice

Des physiciens japonais et américains ont utilisé des atomes environ 3 milliards de fois plus froids que l’espace interstellaire pour ouvrir un portail vers un domaine inexploré du magnétisme quantique.


« À moins qu’une civilisation extraterrestre ne mène des expériences comme celle-ci, chaque fois que cette expérience se déroule à l’Université de Kyoto, elle produit les fermions les plus froids de l’univers », a déclaré Kaden Hazzard de l’Université Rice, auteur de la théorie, dans une étude publiée aujourd’hui. physique naturelle. « Les fermions ne sont pas des particules rares. Ils contiennent des choses comme des électrons et sont l’un des deux types de particules qui composent toute la matière.

Une équipe de Kyoto dirigée par l’auteur de l’étude Yoshiro Takahashi a utilisé des lasers pour refroidir ses fermions, des atomes d’ytterbium, à environ un milliardième de degré Zéro absolu, la température inaccessible à laquelle tout mouvement cesse. C’est environ 3 milliards de fois plus froid que espace interstellaireencore réchauffé par la rémanence du Big Bang.

“La récompense de ce froid est que la physique change vraiment”, a déclaré Hazzard. “La physique commence à devenir plus mécanique quantique, et cela vous permet de voir de nouveaux phénomènes.”

Les atomes, comme les électrons et les photons, sont soumis aux lois de la dynamique quantique, mais leur comportement quantique ne devient clair que lorsqu’ils sont refroidis à des fractions de degré du zéro absolu. Depuis plus d’un quart de siècle, les physiciens utilisent le refroidissement par laser pour étudier les propriétés quantiques des atomes ultrafroids. Les lasers sont utilisés à la fois pour refroidir les atomes et confiner leurs mouvements à des réseaux optiques, des canaux lumineux 1D, 2D ou 3D qui peuvent servir de simulateurs quantiques capables de résoudre des problèmes complexes hors de portée des ordinateurs traditionnels.

Le laboratoire de Takahashi a utilisé des réseaux optiques pour simuler un modèle Hubbard, un modèle quantique couramment utilisé créé par le physicien théoricien John Hubbard en 1963. Les physiciens utilisent les modèles de Hubbard pour étudier le comportement magnétique et supraconducteur des matériaux, en particulier des matériaux où les interactions entre les électrons produisent un comportement collectif, un peu comme les interactions collectives des fans de sport en liesse dansant “la vague” dans des stades bondés.

“Le thermomètre qu’ils utilisent à Kyoto est l’une des choses importantes que notre théorie fournit”, a déclaré Hazzard, professeur agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative. « Si nous comparons leurs mesures avec nos calculs, nous pouvons déterminer la température. Le record de température est atteint grâce à une nouvelle physique amusante qui a à voir avec la très haute symétrie du système.

La matière SU(N) est environ 3 milliards de fois plus froide que l'espace

Représentation artistique des corrélations magnétiques complexes observées par des physiciens à l’aide d’un simulateur quantique révolutionnaire à l’Université de Kyoto qui utilise des atomes d’ytterbium, qui sont environ 3 milliards de fois plus froids que l’espace. Différentes couleurs représentent les six états de spin possibles de chaque atome. Le simulateur utilise jusqu’à 300 000 atomes, permettant aux physiciens d’observer directement comment les particules interagissent dans les aimants quantiques, dont la complexité même des superordinateurs les plus puissants ne peut égaler. Crédit : Ella Maru Studio/K. Hazzard / Université Rice

Le modèle Hubbard simulé à Kyoto a une symétrie spéciale connue sous le nom de SU(N), où SU signifie groupe d’unité spécial – une manière mathématique de décrire la symétrie – et N désigne les états de spin possibles des particules dans le modèle. Plus la valeur de N est grande, plus la symétrie du modèle est grande et plus la complexité du comportement magnétique qu’il décrit est grande. Les atomes d’ytterbium ont six états de spin possibles, et le simulateur de Kyoto montre pour la première fois des corrélations magnétiques dans un modèle Hubbard SU(6) qui sont impossibles à calculer sur un ordinateur.

“C’est la vraie raison de cette expérience”, a déclaré Hazzard. “Parce que nous voulons vraiment connaître la physique de ce modèle SU(N)-Hubbard.”

Le co-auteur de l’étude, Eduardo Ibarra-García-Padilla, étudiant diplômé du groupe de recherche de Hazzard, a déclaré que le modèle Hubbard vise à capturer les constituants minimaux pour comprendre pourquoi les matériaux solides deviennent des métaux, des isolants, des aimants ou deviennent des supraconducteurs.

“L’une des questions fascinantes que les expériences peuvent explorer est le rôle de la symétrie”, a déclaré Ibarra-García-Padilla. “Avoir l’opportunité de le construire dans un laboratoire est extraordinaire. Comprendre cela peut nous aider à créer de vrais matériaux avec de nouvelles propriétés souhaitées.

L’équipe de Takahashi a montré qu’il peut piéger jusqu’à 300 000 atomes dans son réseau 3D. Hazzard a déclaré que le calcul précis du comportement d’une douzaine de particules dans un modèle Hubbard SU(6) est hors de portée des superordinateurs les plus puissants. Les expériences de Kyoto offrent aux physiciens l’opportunité d’apprendre le fonctionnement de ces systèmes quantiques complexes en les observant en action.

Les résultats sont une étape importante dans cette direction et incluent les premières observations de la coordination des particules dans un modèle SU(6) Hubbard, a déclaré Hazzard.

“Pour le moment, cette coordination est à courte portée, mais si les particules sont encore plus refroidies, des phases de matière plus subtiles et exotiques peuvent apparaître”, a-t-il déclaré. “L’une des choses intéressantes à propos de certaines de ces phases exotiques est qu’elles ne sont pas disposées selon un schéma évident, ni aléatoires. Il existe des corrélations, mais si vous regardez deux atomes et demandez:” Sont-ils corrélés? Vous ne les verrez pas. Ils sont beaucoup plus subtils. Vous ne pouvez pas regarder deux ou trois ou même 100 atomes. Vous devez en quelque sorte regarder l’ensemble du système.

Les physiciens n’ont pas encore les outils pour mesurer un tel comportement dans l’expérience de Kyoto. Cependant, Hazzard a déclaré que des travaux étaient déjà en cours pour créer les outils et que le succès de l’équipe de Kyoto stimulerait ces efforts.

“Ces systèmes sont assez exotiques et spéciaux, mais l’espoir est qu’en les étudiant et en les comprenant, nous puissions identifier les composants clés qui doivent être présents dans les vrais matériaux”, a-t-il déclaré.


Les physiciens utilisent des électrons pour créer des “dimensions synthétiques”.


Plus d’information:
Shintaro Taie, Observation des corrélations antiferromagnétiques dans un modèle Hubbard SU(N) ultrafroid, physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01725-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6

Citation: La matière SU(N) est environ 3 milliards de fois plus froide que l’espace (2022, 1er septembre), extrait le 1er septembre 2022 de

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