Наука

Физики впервые измерили «квантовую лестницу», предсказанную 40 лет назад

Nature: цепочки из атомов стронция подтвердили давнее предсказание теории
1200 800 600 400 600 600 200 200 895 505

Физики впервые напрямую измерили «квантовую лестницу» энергетических уровней, которую теория предсказала около 40 лет назад. Это подтвердило давние расчеты и показало, что тонкие предсказания фундаментальной теории можно проверить в эксперименте. Работа опубликована в журнале Nature.

Ученые Калифорнийского технологического института (Caltech) вместе с коллегами из Франции и Германии работали с цепочками из 35 атомов стронция. Атомы удерживали «оптическим пинцетом» — сфокусированными лазерными лучами — и переводили в особое состояние, в котором соседние атомы сильно взаимодействуют друг с другом.

Чтобы «прощупать» энергетические уровни системы, ученые применили метод, который сравнивают с тем, как влажный палец, скользящий по краю бокала, заставляет его звучать: они плавно меняли частоту лазера и ловили «резонансы» — частоты, на которых атомы особенно сильно откликались. Соотношения измеренных энергетических уровней в точности совпали с тем, что предсказывает так называемая конформная теория поля.

Эта теория описывает поведение систем в особых «критических» точках — например, когда вещество находится на грани перехода из одного состояния в другое. Она применяется и в физике материалов, и в теории струн, но проверить ее тончайшие предсказания прямым измерением до сих пор не удавалось. Работа показывает, что управляемые системы из холодных атомов могут служить «квантовыми симуляторами» — инструментами, на которых проверяют сложнейшие теории, недоступные обычным расчетам. Это важный шаг для фундаментальной физики, хотя практических применений ждать еще рано.

Квантовые симуляторы — одно из самых перспективных направлений современной физики: вместо того чтобы считать поведение сложных квантовых систем на обычных компьютерах, где это практически невозможно, ученые «собирают» нужную систему из атомов и наблюдают за ней напрямую. Именно так удалось проверить предсказание, десятилетиями остававшееся чисто теоретическим, и это открывает путь к изучению других труднодоступных явлений.

Ранее ученые доказали, что геном человека устойчив к невесомости.