Физики впервые напрямую измерили энергетические уровни синтетической квантовой материи, предсказанные конформными теориями поля Изинга и трикритической Изинга. Для эксперимента ученые использовали квантовые симуляторы — специализированные системы, созданные на основе технологий квантовых вычислений. Работа позволила проверить расчеты, которыми исследователи пользовались около 40 лет.
Конформные теории поля описывают универсальные закономерности, возникающие при переходе вещества из одного состояния в другое. В таких точках свойства разных систем могут подчиняться одинаковым математическим правилам, несмотря на различия в их микроскопическом устройстве. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Ученые собрали квантовую систему из атомов стронция, выстроенных в цепочку и удерживаемых лазерными лучами — оптическими пинцетами. Дополнительные лазеры переводили атомы в высокоэнергетические ридберговские состояния, благодаря чему соседние частицы начинали сильно взаимодействовать. После настройки параметров система достигала критической точки, предусмотренной теоретическими моделями.
Для определения энергетических уровней исследователи применили метод спектроскопии модуляции многих тел. Они изменяли параметры лазеров на выбранных частотах и фиксировали отклик атомной цепочки. Пики этого отклика позволили восстановить последовательность энергетических уровней, напоминающую лестницу.
Опыты провели на цепочках длиной до 35 атомов. Полученные соотношения уровней совпали с прогнозами конформной теории поля Изинга, а при переходе к трикритической точке ученые зарегистрировали другой спектр с ожидаемыми пропорциями. Возможность управлять каждым атомом отдельно также помогла обнаружить дополнительное семейство энергетических уровней.
В дальнейшем авторы работы намерены перейти от одномерных атомных цепочек к более крупным системам в виде решеток. По их оценке, исследования в 2 измерениях могут помочь изучить режимы, для которых пока нет точных количественных расчетов. Методика также может быть применена к задачам, недоступным для классических компьютеров.
