宇宙で最も冷たいフェルミオンは、高度に対称的な量子領域へのポータルを開きます

日本とアメリカの物理学者は、星間空間よりも約 30 億倍も温度が低い原子を使用して、量子磁気の未知の領域へのポータルを開きました。

「地球外文明がこのような実験を行っていないとき、この実験が京都大学で行われるたびに、彼らは宇宙で最も冷たいフェルミオンを作っている」と、関連する理論の著者であるライス大学のカデン・ハザードは今日の研究で述べた。に発表されました 自然物理学. 「フェルミ粒子は珍しい粒子ではありません。 それらは電子のようなものを含み、すべての物質を構成する 2 種類の粒子のうちの 1 つです。 »

研究著者の高橋吉郎氏が率いる京都のチームは、レーザーを使用して、そのフェルミオンであるイッテルビウム原子を、すべての運動が停止する到達不可能な温度である絶対零度から約 10 億分の 1 度まで冷却しました。 これは、ビッグバンの残光によってまだ暖められている星間空間よりも約 30 億倍寒いです。

「この寒さの見返りは、物理学が本当に変化していることです」とハザードは言いました. 「物理学は徐々に量子力学的になりつつあり、新しい現象を見ることができます。 »

原子は、電子や光子と同じように、量子力学の法則に従いますが、その量子挙動は、絶対零度に近い数分の 1 度まで冷却された場合にのみ明らかになります。 四半世紀以上にわたり、物理学者はレーザー冷却を使用して極低温原子の量子特性を研究してきました。 レーザーは、原子を冷却するためと、従来のコンピューターでは手の届かない複雑な問題を解決できる量子シミュレーターとして機能できる光格子、1D、2D、または 3D 光チャネルに原子の動きを制限するために使用されます。

高橋の研究室では、光格子を使用して、1963 年に理論物理学者のジョン ハバードによって作成された一般的に使用される量子モデルであるハバード モデルをシミュレートしました。 物理学者は、ハバードのモデルを使用して、材料の磁気および超伝導挙動、特に電子間の相互作用が集団挙動を生成するものを研究します。これは、混雑したスタジアムで「The Wave」を実行する熱狂的なスポーツ ファンの集団相互作用によく似ています。

「彼らが京都で使用している温度計は、私たちの理論が提供する重要なものの 1 つです」と、物理学と天文学の准教授で、Rice Quantum Initiative のメンバーである Hazzard 氏は述べています。 「彼らの測定値と私たちの計算を比較することで、温度を決定できます。 記録的な温度は、システムの非常に高い対称性に関連する楽しい新しい物理学のおかげで達成されました。 »

京都でシミュレートされたハバードモデルには、SU(N) として知られる特別な対称性があります。ここで、SU は特別な単位グループ (対称性を説明する数学的な方法) を表し、N はモデル内の粒子の可能なスピン状態を示します。 N の値が大きいほど、モデルの対称性が高くなり、記述される磁気挙動の複雑さが増します。 イッテルビウム原子には 6 つの可能なスピン状態があり、京都シミュレーターは、ハバード SU(6) モデルでコンピューターでは計算できない磁気相関を明らかにした最初のものです。

「それがこの実験の本当の理由です」とハザードは言いました。 「なぜなら、この SU(N)-ハバード モデルの物理を本当に知りたいからです。 »

ハザードの研究グループの大学院生である研究の共著者であるエドゥアルド・イバラ・ガルシア・パディラは、ハバードモデルは、固体材料が金属、絶縁体、磁石、または超伝導体になる理由を理解するために、最小限の成分を捉えることを目的としていると述べた。

「実験で探求できる魅力的な問題の 1 つは、対称性の役割です」と Ibarra-García-Padilla 氏は述べています。 「ラボで設計する機会を得られるのは素晴らしいことです。 これを理解することで、新しい望ましい特性を備えた実際の材料を作成することができます。 »

高橋のチームは、3D ネットワークで最大 300,000 個の原子をキャプチャできることを実証しました。 Hazzard 氏は、ハバード SU(6) モデルで 12 個の粒子の挙動を正確に計算することは、最も強力なスーパーコンピューターの範囲を超えていると述べています。 京都実験は、物理学者がこれらの複雑な量子システムの動作を観察することによってどのように機能するかを学ぶ機会を提供します。

この結果は、この方向への重要な一歩であり、ハバード SU(6) モデルにおける粒子協調の最初の観測が含まれている、と Hazzard は述べた。

「現時点では、この調整は短距離ですが、粒子がさらに冷却されると、物質のより微妙でエキゾチックな相が現れる可能性があります」と彼は言いました. 「これらのエキゾチックなフェーズのいくつかの優れた点の 1 つは、それらが明確なパターンで配置されておらず、ランダムでもないことです。 相関関係はありますが、2 つの原子を見て「相関関係があるのですか?」と尋ねると、 あなたはそれらを見ることはありません。 それらははるかに微妙です。 2 つ、3 つ、あるいは 100 個の原子を見ることはできません。 システム全体を見る必要があります。

物理学者は、京都実験でそのような挙動を測定するツールをまだ持っていません。 しかし、Hazzard 氏は、ツールを開発する作業はすでに進行中であり、京都チームの成功はそれらの努力に拍車をかけるだろうと述べた.

「これらのシステムは非常にエキゾチックで特別ですが、それらを研究して理解することで、実際の材料に存在する必要がある主要なコンポーネントを特定できることが期待されています.

この研究の共著者には、京都の太江慎太郎、西沢直樹、高須陽介、上海のライス大学と復旦大学のHao-Tian Wei、茨城県の筑波大学の久野義人、カリフォルニア大学のRichard Scalttarが含まれます。 、デイビス。

ライスでの研究は、ウェルチ財団 (C-1872) と全米科学財団 (1848304) の支援を受けました。

Taguchi Eiji

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