Maddenin Beşinci Hali Daha Önce Hiç Başarılmamış Kuantum Simülasyonu Yaratmak İçin Kullanıldı

Barselona'daki araştırmacılar tuhaf yeni bir kuantum simülasyonu yarattılar. Yaklaşım, katı malzemelerin karmaşık kuantum özelliklerini çok daha basit bir şekilde taklit ederek incelemek için kullanılan Bose-Einstein yoğuşmalarını (genellikle maddenin beşinci hali olarak adlandırılır) içerir. Şimdi araştırmacılar, ilk kez bir ayar teorisi - parçacıklar arasındaki etkileşimi destekleyen matematiksel model - oluşturmak için birini kullanabildiler.

Nature'da yayınlanan bulgular son derece heyecan verici. Ayar teorileri modern fizikte son derece önemlidir: Elektromanyetizma, görelilik ve yerçekimi olmayan temel kuvvetlerin birleştirilmesine kadar disiplinin temel taşlarından bazıları ayar teorilerinin örnekleridir.

Fotonik Bilimler Enstitüsü'nden kıdemli yazar Profesör Leticia Tarruell, IFLScience'a, "Yirmi yıl boyunca, ultra soğuk atomlar, katıları taklit etmek ve kuantum malzemelerin nasıl çalıştığına dair anlayışımıza rehberlik etmek için çok güçlü bir araç olduklarını göstermiştir. Ancak, malzeme bilimi fiziğin yalnızca bir kısmıdır ve teorisyenler yıllardır bu yaklaşımı, kuantum simülasyonunun kapsamını yüksek enerji fiziği de dahil olmak üzere çok daha geniş bir dizi fizik problemine genişletmenin uzun vadeli perspektifi ile ayar teorilerine uzatmayı önermektedir.” dedi.

“Bu çok güzel bir fikirdi; ancak, deneylerde gerçekçi olarak yapılabileceklerden çok uzak görünüyordu. Bu sonuç heyecan verici çünkü ayar teorilerinin kuantum simülasyonunun nihayet laboratuvarlara ulaştığını gösteriyor ve önümüzdeki yıllarda bu çalışmada geliştirilen tekniklerden kesinlikle daha fazla deneysel sonuç göreceğiz.”

 

Grup tarafından simüle edilen ayar teorisi en ünlüler arasında değil ama kesinlikle merak uyandıran bir teori. Kiral BF olarak adlandırılır ve bir malzemenin tek bir kenarıyla sınırlı, tek boyutta hareket eden elektronların davranışıyla ilgilidir. Güçlü bir manyetik alanın varlığında bu parçacıklar arasındaki etkileşimin, normalde davranışlarından oldukça farklı olması beklenir.

Ekip, bir potasyum bulutunu mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyarda birine kadar soğuttu ve lazerler kullanarak onu tek bir çizgiye hapsetti. Potasyum, farklı davranacak iki versiyonu (izotopları) olduğu için seçildi. Lazer ışığının kullanılması, iki versiyonu çok tuhaf bir şekilde davranan tek bir durumda birleştirdi. Bulut sola itildiğinde, genişleyen normal bir gaz bulutu gibi davrandı. Ancak sağda, etkileşimler aniden çekici hale geldi ve bulut aynı şekilde kaldı.

Profesör Tarruell bir açıklamada, "Atom bulutumuzdaki kiral etkileşimlerin etkisini ilk kez gözlemlediğimizde, bir ayar teorisini simüle etmeye çalışmıyorduk. Ancak veriler o kadar güzel ve merak uyandırıcıydı ki, anlamını gerçekten daha iyi anlamamız gerektiğini hissettik. Ekibin araştırma planlarını tamamen değiştirmeme neden oldu.” dedi.

Araştırmacılar, verileri kiral BF göstergesine bağlayabilen ve deneysel sonuçlarla nasıl bağlantılı olduğunu belirleyen teorik fizikçi Alessio Celi'nin yardımına başvurdu. Ayrıca, ekibin davranışların arkasındaki modeli anlamasına yardımcı oldu ve birlikte gösterge teorisini mükemmel bir şekilde simüle eden parametreler buldular.

Tarruell, “Bu projenin bize disiplinler arası işbirliklerinin gücünü gösterdiğini düşünüyorum. Ultra düşük sıcaklık fiziğinin deneysel araçlarını ve yüksek enerji fiziğinin teorik araçlarını birleştirmek, hepimizi daha iyi fizikçiler yaptı ve bir topolojik ayar teorisinin ilk kuantum simülasyonuyla sonuçlandı." diye sonuçlandırdı.

Ekip şimdi Chern-Simons ayar teorisini simüle etmek için aynı özellikleri bir uçakta incelemek istiyor. Bu onların, gelecekteki kuantum bilgisayarlarda faydalı olacağına inanılan, anyonlar olarak bilinen kuazi parçacıklar yaratmalarına izin verecektir.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.