В ультрахолодных магнитных атомах предсказаны семь экзотических квантовых фаз, включая топологическую сверхпроводимость
Сильно взаимодействующие квантовые частицы играют ключевую роль в некоторых из самых захватывающих явлений современной физики — от магнетизма и сверхпроводимости до топологических состояний...
Однако сложность таких систем делает многие их свойства трудными для понимания даже сегодня. Исследовательская группа из Инсбрука и Турина предложила новую теоретическую модель для генерации и изучения этих экзотических состояний материи в ультрахолодных магнитных атомах в одномерной решетке.
Исследователи во главе с Франческой Ферлайно и Лукой Барбьеро разработали модель, которая раскрывает семь экзотических фаз материи. Наиболее примечательно то, что одна из фаз сочетает топологический порядок и сверхпроводимость, что открывает потенциальные возможности для применения в квантовых вычислениях.
Новая квантовая модель для магнитных атомов
В основе исследования лежит специально разработанная теоретическая модель — хорошо зарекомендовавшая себя в квантовой физике концепция, используемая для описания поведения сильно взаимодействующих квантовых частиц, называемых фермионами. Исследователи разработали реалистичную экспериментальную установку, основанную на ультрахолодных магнитных атомах лантанидов, в частности эрбия и диспрозия, захваченных в одномерной оптической решетке.
Благодаря исключительно большим магнитным моментам этих атомов, команда смогла создать систему, в которой три ключевых параметра — движение частиц между узлами решетки, взаимодействие их спинов друг с другом и сила отталкивания при нахождении в одном и том же узле — можно регулировать независимо. Такой уровень контроля значительно превосходит то, что было достижимо с помощью обычных атомных систем.
Топологический сверхпроводник
Используя сочетание аналитических методов и передовых численных симуляций, команда построила сложную фазовую диаграмму, включающую семь различных квантовых фаз. К ним относятся несколько форм одномерной сверхпроводимости, топологическая жидкость и, что особенно важно, топологический триплетный сверхпроводник. В этом состоянии сверхпроводимость — то есть, без потерь перенос электрического заряда — сосуществует с топологическим порядком, квантовым состоянием, устойчивым к внешним шумам.
«Это экзотическое состояние материи, в котором топологический порядок и сверхпроводимость тесно переплетены, ранее не было экспериментально реализовано», — объясняет ведущий автор Леонардо Джакомелли из группы Ферлайно. «Наш подход предоставляет конкретную и экспериментально доступную платформу для этого», — добавляет Барбьеро из Политехнического университета Турина.
Путь к экспериментальной реализации
Исследователи разработали подробный пошаговый протокол для подготовки и обнаружения всех предсказанных квантовых фаз с использованием методов микроскопии квантового газа.
«Наше исследование представляет собой конкретный шаг к более глубокому пониманию интригующих состояний материи, возникающих в сильно взаимодействующей фермионной квантовой материи», — говорит Ферлайно. «Предложенная платформа напрямую совместима с существующими экспериментальными установками, что особенно актуально, учитывая, что топологические сверхпроводники являются одними из наиболее перспективных кандидатов для отказоустойчивых квантовых вычислений».
Работа проводилась на кафедре экспериментальной физики Инсбрукского университета и в Институте квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук (ÖAW).
