a. Образец порошка адамантана (C₁₀H₁₆) и его решетчатая структура.
b. Протокол эксперимента и последовательность импульсов.
c. Наблюдаемая универсальность в динамике спиновой деполяризации.
d. Доминирующие процессы взаимодействия, лежащие в основе динамики спиновой деполяризации.
Фото: команда профессора Ду

Новое исследование выявило универсальную динамику вдали от равновесия в моделях случайно взаимодействующих спинов, дополняя тем самым хорошо зарекомендовавшую себя универсальность в физике низкоэнергетического равновесия. Исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Physics, стало результатом совместных усилий исследовательской группы под руководством профессора Ду Цзянфэна и профессора Пэн Синьхуа из Университета науки и технологий Китая (USTC), а также теоретических групп Профессор Чжай Хуэй из Университета Цинхуа и доктор Чжан Пэнфэй из Университета Фудань.

Несмотря на богатое разнообразие явлений, простых и универсальных правил, лежащих в основе квантовой неравновесной динамики, все еще нет. Неравновесная динамика обычно включает высоковозбужденные состояния, выходящие за рамки общепринятой универсальности с низкими энергиями. Вопрос о том, может ли универсальное поведение возникать и в неравновесной динамике, является актуальным вопросом в области квантовой физики многих тел.

Твердотельные ядерные спиновые системы по своей природе представляют собой сложные квантовые системы многих тел, которыми можно точно управлять с помощью технологий квантового контроля, что позволяет реализовать различные модели спина многих тел. Это обеспечивает естественную и настраиваемую экспериментальную платформу для изучения неравновесной динамики квантовых систем многих тел.

Учёные разработали последовательности импульсов для высокоточного управления спинами ядер H в порошке адамантана (C₁₀H₁₆) (каждое зерно содержит примерно 10⁹ до 10¹² молекул) и реализовали случайно взаимодействующие спиновые модели с регулируемыми анизотропными параметрами. Хаотичность возникает из-за случайной ориентации между осями решетки в разных зернах и статического магнитного поля.

Так было обнаружено новое явление: динамика спиновой деполяризации показала четкий переход от монотонного к колебательному затуханию при изменении анизотропного параметра. Оказалось, что поведение динамики спиновой деполяризации можно универсально описать двумя параметрами. Сравнивая экспериментальные наблюдения с несколькими различными теоретическими подходами, учёные предложили комплексное теоретическое объяснение этой неравновесной квантовой динамики многих тел.

Это исследование выявило новый тип универсальности в неравновесной динамике квантовых систем многих тел, которые сложно моделировать на классических компьютерах. Он служит прекрасным примером того, как квантовые информационные технологии можно использовать для открытия новых физических законов.