Квантово-газовая микроскопия трехкомпонентных систем Хаббарда
Сверххолодные атомы часто используются для построения систем, напоминающих те, что встречаются в физике твердого тела (фермионные атомы играют роль электронов в твердом теле). Эта система уникальна тем, что реализует модель Хаббарда, которая является одной из важнейших моделей для описания взаимодействия фермионов на решетке. Такой подход считается особенно перспективным для понимания высокотемпературной сверхпроводимости. Используя микроскоп для квантовых газов, впервые команда физиков из Германии, Таиланда, Индии, Китая и США создала в лабораторных условиях трехкомпонентную систему Хаббарда с регулируемыми взаимодействиями. Исследование, опубликованное в журнале Science, закладывает важную основу для будущих квантовых симуляций в ядерной физике и материаловедении.
Рис. Квантово-газовая микроскопия трехкомпонентных ферми-газов.
(A) Определение компонентов и взаимодействий между парами компонентов (слева). Иллюстрация трехкомпонентного ферми-решеточного газа (справа).
(B) Возможность регулирования взаимодействий между тремя парами компонентов.
(C) Схема обнаружения трехкомпонентных ферми-решеточных газов.
Источник: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2503.05687
Стандартная модель Хаббарда обычно рассматривает два спиновых состояния: спин вверх и спин вниз. Третий компонент делает систему значительно более универсальной, позволяя исследователям изучать более сложные квантово-механические фазы.
Сверххолодные атомы в оптической решетке представляют собой отличную платформу для квантовых симуляций. Атомы в самом низкоэнергетическом состоянии решетки образуют квантовую систему, в которой они туннелируют из одного узла решетки в другой, фактически меняясь местами. Идентичные фермионы не могут занимать одно и то же место, но если различимые фермионы встречаются в одном месте, возникает зависящая от магнитного поля энергия взаимодействия. В данной работе впервые реализована трехкомпонентная модель Хаббарда, где использовались ультрахолодные атомы с регулируемыми взаимодействиями. Учёные также стремились экспериментально обнаружить фундаментальные состояния и фазы.
В эксперименте был использован микроскоп на основе квантового газа, который позволил обнаруживать каждый отдельный атом с пространственным разрешением. Используя атомы в разных внутренних состояниях, удалось реализовать различные типы фермионов, что в конечном итоге дало возможность использовать три различных состояния. В результате получилась система, которая, хотя и сильно отличается от электронов на кристаллической решетке, известных из физики твердого тела, напоминающая ядерную физику, где кварки могут иметь три разных цвета.
По итогу оказалось, что экспериментальная реализация на удивление стабильна. Физики обычно опасаются, что столкновения трех тел могут быстро разрушить систему. Несмотря на эту потенциальную опасность, удалось успешно провести измерения и наблюдать изолятор Мотта. Кроме того, исследователи выявили множество других фаз. Они зависят от силы взаимодействия между тремя состояниями в каждом конкретном случае. Например, было обнаружено, что в одной и той же системе могут возникать как ферромагнитные корреляции между двумя состояниями, так и антиферромагнитные корреляции между двумя другими. Учёные разработали метод определения количества трехкомпонентных узлов решетки. Измеренные значения совпали с результатами численных расчетов, выполненных сотрудниками Университета Райса.
