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.