in

La materia SU(N) è circa 3 miliardi di volte più fredda dello spazio

La materia SU(N) è circa 3 miliardi di volte più fredda dello spazio

Rappresentazione artistica delle complesse correlazioni magnetiche osservate dai fisici utilizzando un rivoluzionario simulatore quantistico dell’Università di Kyoto che utilizza atomi di itterbio, che sono circa 3 miliardi di volte più freddi dello spazio. Colori diversi rappresentano i sei possibili stati di rotazione di ciascun atomo. Il simulatore utilizza fino a 300.000 atomi, consentendo ai fisici di osservare direttamente come le particelle interagiscono nei magneti quantistici, la cui complessità nemmeno i supercomputer più potenti possono eguagliare. Credito: Ella Maru Studio/K. Università Hazzard/Rice

I fisici giapponesi e statunitensi hanno utilizzato atomi circa 3 miliardi di volte più freddi dello spazio interstellare per aprire un portale verso un regno inesplorato del magnetismo quantistico.

“A meno che una civiltà extraterrestre non stia conducendo esperimenti come questo, ogni volta che questo esperimento viene eseguito all’Università di Kyoto, produce i fermioni più freddi dell’universo”, ha affermato Kaden Hazzard della Rice University, autore della teoria, in uno studio pubblicato oggi fisica naturale. “I fermioni non sono particelle rare. Contengono cose come gli elettroni e sono uno dei due tipi di particelle che compongono tutta la materia”.

Un team di Kyoto guidato dall’autore dello studio Yoshiro Takahashi ha utilizzato i laser per raffreddare i suoi fermioni, atomi di itterbio, entro circa un miliardesimo di grado dallo zero assoluto, la temperatura irraggiungibile alla quale cessa ogni movimento. È circa 3 miliardi di volte più freddo dello spazio interstellare, che è ancora riscaldato dal bagliore residuo del Big Bang.

“La ricompensa per questo freddo è che la fisica sta davvero cambiando”, ha detto Hazzard. “La fisica sta iniziando a diventare più meccanica quantistica e ti consente di vedere nuovi fenomeni”.

Gli atomi, come gli elettroni ei fotoni, sono soggetti alle leggi della dinamica quantistica, ma il loro comportamento quantistico diventa chiaro solo quando vengono raffreddati a frazioni di grado dallo zero assoluto. Per più di un quarto di secolo, i fisici hanno utilizzato il raffreddamento laser per studiare le proprietà quantistiche degli atomi ultrafreddi. I laser vengono utilizzati sia per raffreddare gli atomi che per limitarne i movimenti a reticoli ottici, canali di luce 1D, 2D o 3D che possono fungere da simulatori quantistici in grado di risolvere problemi complessi al di fuori della portata dei computer tradizionali.

Il laboratorio di Takahashi ha utilizzato reticoli ottici per simulare un modello di Hubbard, un modello quantistico di uso comune creato dal fisico teorico John Hubbard nel 1963. I fisici utilizzano i modelli di Hubbard per studiare il comportamento magnetico e superconduttore dei materiali, in particolare i materiali in cui le interazioni tra gli elettroni producono un comportamento collettivo, proprio come le interazioni collettive degli appassionati di sport che ballano “l’onda” in stadi affollati.

“Il termometro che usano a Kyoto è una delle cose importanti fornite dalla nostra teoria”, ha affermato Hazzard, professore associato di fisica e astronomia e membro della Rice Quantum Initiative. “Se confrontiamo le loro misurazioni con i nostri calcoli, possiamo determinare la temperatura. La temperatura record viene raggiunta grazie a una nuova e divertente fisica che ha a che fare con l’altissima simmetria del sistema”.

La materia SU(N) è circa 3 miliardi di volte più fredda dello spazio

Rappresentazione artistica delle complesse correlazioni magnetiche osservate dai fisici utilizzando un rivoluzionario simulatore quantistico dell’Università di Kyoto che utilizza atomi di itterbio, che sono circa 3 miliardi di volte più freddi dello spazio. Colori diversi rappresentano i sei possibili stati di rotazione di ciascun atomo. Il simulatore utilizza fino a 300.000 atomi, consentendo ai fisici di osservare direttamente come le particelle interagiscono nei magneti quantistici, la cui complessità nemmeno i supercomputer più potenti possono eguagliare. Credito: Ella Maru Studio/K. Università Hazzard/Rice

Il modello di Hubbard simulato a Kyoto ha una simmetria speciale nota come SU(N), dove SU sta per gruppo di unità speciali – un modo matematico di descrivere la simmetria – e N denota i possibili stati di spin delle particelle nel modello. Maggiore è il valore di N, maggiore è la simmetria del modello e maggiore è la complessità del comportamento magnetico che descrive. Gli atomi di itterbio hanno sei possibili stati di spin e il simulatore di Kyoto mostra per la prima volta correlazioni magnetiche in un modello SU(6) di Hubbard che sono impossibili da calcolare su un computer.

“Questa è la vera ragione di questo esperimento”, ha detto Hazzard. “Perché vogliamo davvero conoscere la fisica di questo modello SU(N)-Hubbard.”

Il coautore dello studio Eduardo Ibarra-García-Padilla, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Hazzard, ha affermato che il modello di Hubbard mira a catturare i costituenti minimi per capire perché i materiali solidi diventano metalli, isolanti, magneti o diventano superconduttori.

“Una delle domande affascinanti che gli esperimenti possono esplorare è il ruolo della simmetria”, ha affermato Ibarra-García-Padilla. “Avere l’opportunità di costruirlo in laboratorio è straordinario. Comprendere questo può aiutarci a creare materiali reali con proprietà nuove e desiderate”.

Il team di Takahashi ha dimostrato che può intrappolare fino a 300.000 atomi nel suo reticolo 3D. Hazzard ha affermato che il calcolo accurato del comportamento anche di una dozzina di particelle in un modello SU(6) di Hubbard è fuori dalla portata dei supercomputer più potenti. Gli esperimenti di Kyoto offrono ai fisici l’opportunità di imparare come funzionano questi complessi sistemi quantistici osservandoli in azione.

I risultati sono un passo importante in questa direzione e includono le prime osservazioni della coordinazione delle particelle in un modello SU(6) di Hubbard, ha affermato Hazzard.

“In questo momento, questa coordinazione è a corto raggio, ma se le particelle vengono ulteriormente raffreddate, possono apparire fasi della materia più sottili ed esotiche”, ha detto. “Una delle cose interessanti di alcune di queste fasi esotiche è che non sono disposte secondo uno schema ovvio, né sono casuali. Ci sono correlazioni, ma se guardi due atomi e chiedi: ‘Sono correlati?’ Non li vedrai. Sono molto più sottili. Non puoi guardare due o tre o anche 100 atomi. Devi guardare l’intero sistema.

I fisici non hanno ancora gli strumenti per misurare tale comportamento nell’esperimento di Kyoto. Tuttavia, Hazzard ha affermato che il lavoro è già in corso per creare gli strumenti e il successo del team di Kyoto stimolerà questi sforzi.

“Questi sistemi sono piuttosto esotici e speciali, ma la speranza è che studiandoli e comprendendoli, possiamo identificare i componenti chiave che devono essere presenti nei materiali reali”, ha affermato.


I fisici usano gli elettroni per creare “dimensioni sintetiche”.


Maggiori informazioni:
Shintaro Taie, Osservazione delle correlazioni antiferromagnetiche in un modello Hubbard SU(N) ultrafreddo, fisica naturale (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6

Fornito da Rice University

Citazione: la materia SU(N) è circa 3 miliardi di volte più fredda dello spazio (1 settembre 2022), recuperata il 1 settembre 2022 da https://phys.org/news/2022-09-sun-billion-colder – deep space. html

Questo documento è protetto da copyright. Fatta eccezione per il commercio equo e solidale a scopo di studio o ricerca privata, nessuna parte può essere riprodotta senza autorizzazione scritta. Il contenuto è solo a scopo informativo.

L’astronauta e colonnello della marina Nicole Aunapu Mann diventa la PRIMA donna nativa americana nello spazio

Proteina anti-insulina legata alla longevità e alla riproduzione nelle formiche