Учёные из Центра квантовых исследований Дьюка и Мэрилендского университета впервые в истории наблюдали фазовый переход в одномерной цепочке атомов. Эксперимент проводился на квантовом симуляторе и открывает новые возможности для изучения фазовых переходов в одномерных системах.

Традиционно считалось, что фазовые переходы, такие как превращение воды в лёд или переход магнита из намагниченного состояния в размагниченное, невозможны в одномерных системах. Однако нобелевские лауреаты Дайсон и Таулес теоретически предсказали, что при определённых условиях, когда атомы взаимодействуют на больших расстояниях, такие переходы могут происходить.

Золотые электроды создают электромагнитные поля, которые захватывают десятки ионов в цепочку прямо над поверхностью электродов. Затем лазерные лучи (не показаны) вызывают взаимодействие между ионами, реализуя дальнодействующее взаимодействие одномерного магнита. Источник: Duke Quantum Center

Для проведения эксперимента исследователи использовали квантовый симулятор с захваченными ионами, созданный под руководством Кристофера Монро в Центре квантовых исследований Дьюка. Устройство позволило сформировать одномерную цепочку из 23 ионов иттербия.

«Используя электромагнитные поля для управления взаимодействием между ионами, мы фактически создали одномерный магнит, собранный атом за атомом», – поясняет ведущий экспериментатор Ор Кац.

Одной из главных сложностей в работе стал процесс нагревания квантовой системы, необходимый для наблюдения фазового перехода. Александр Шукерт, ведущий теоретик проекта, разработал новую методику, которая позволила преодолеть эту проблему. Учёные подготовили ионы в определённом начальном состоянии и позволили им развиваться согласно их естественной динамике, что имитировало эффект повышения температуры.

В результате исследователям удалось наблюдать переход системы из упорядоченного (намагниченного) состояния в неупорядоченное (размагниченное), что подтвердило существование фазового перехода в одномерной системе. Это достижение стало возможным благодаря способности эксперимента создавать дальнодействующие взаимодействия между ионами и эффективно подготавливать их в нагретом состоянии.

В дальнейшем учёные планируют расширить исследования, создавая двумерные массивы ионов для изучения более сложных систем и потенциального открытия новых фаз материи. Также команда работает над усовершенствованием метода подготовки нагретых состояний для более сложных моделей материалов, особенно при низких температурах.

Подробнее на iXBT