Физики приблизились к обнаружению необычных квазичастиц
Ученые разработали квантовую модель твердого тела, в которой проявились признаки существования фрактонов — необычных квазичастиц, практически неспособных двигаться поодиночке. Предполагается, что это свойство в будущем можно будет использовать для более надежного хранения квантовой информации. Исследование международной группы физиков опубликовано в Nature Communications. О том, что такое фрактоны, почему их до сих пор не удалось обнаружить в квантовых спиновых жидкостях и что именно показали новые расчеты, — в материале «Известий».
Что такое фрактоны
Фрактон нельзя считать новой элементарной частицей наподобие электрона или фотона. Это квазичастица, то есть коллективное возбуждение, возникающее в результате согласованного поведения множества взаимодействующих частиц внутри вещества.
Подобные объекты существуют только в определенной среде. Например, колебания атомов в кристаллической решетке физики описывают как квазичастицы — фононы. Они способны переносить энергию внутри материала, хотя отдельного фонона за его пределами не существует.
Фрактоны возникают по похожему принципу, однако отличаются крайне ограниченной подвижностью. Если обычное возбуждение может перемещаться между соседними участками системы, то отдельный фрактон практически не способен сдвинуться с места. Для его перемещения необходимо одновременно изменить положение других фрактонов.
В некоторых случаях связанные пары таких возбуждений могут двигаться, но только в определенном направлении. Более сложные группы получают большую свободу перемещения. Таким образом, подвижность зависит не только от свойств самой квазичастицы, но и от того, с какими другими возбуждениями она связана.
Почему фрактоны почти не двигаются
Неподвижность фрактонов связана не с физическим препятствием внутри материала, а с действующими в системе законами сохранения. В обычной физической системе при перемещении частицы должен сохраняться ее заряд. В теориях, описывающих фрактоны, дополнительно сохраняется дипольный момент — показатель, учитывающий распределение заряда в пространстве. Самостоятельное перемещение одного фрактона изменило бы это распределение и нарушило установленное правило.
Поэтому одиночное возбуждение остается на месте. Перемещение становится возможным только тогда, когда несколько фрактонов меняют положение согласованно и общий дипольный момент системы сохраняется.
Такое поведение описывается с помощью калибровочных теорий ранга 2 типа U(1). Сходный математический подход применяется в электродинамике, но в случае фрактонов поле имеет более сложную структуру. Она и создает дополнительные ограничения, из-за которых отдельные возбуждения теряют возможность свободно двигаться.
Ранее фрактонные состояния удавалось описывать преимущественно с помощью подобных абстрактных теорий. Главная сложность заключалась в том, чтобы перенести их правила в достаточно простую модель взаимодействующих спинов, которую в перспективе можно воспроизвести экспериментально.
Что такое квантовая спиновая жидкость
Одной из возможных сред для существования фрактонов считаются квантовые спиновые жидкости. Несмотря на название, речь идет не о жидкости в привычном понимании, а об особом магнитном состоянии твердого вещества.
Спин — это квантовая характеристика частицы, связанная с ее магнитным моментом. В обычном магните при охлаждении спины выстраиваются определенным образом и образуют устойчивую структуру.
Внутри такой системы могут возникать коллективные возбуждения с необычными свойствами. В обычных квантовых спиновых жидкостях квазичастицы способны перемещаться по материалу. Во фрактонной фазе на их движение накладываются дополнительные ограничения.
Какую модель создали ученые
Авторы новой работы рассмотрели двумерную квадратную решетку, узлам которой соответствуют квантовые переменные со спином 1. Это означает, что каждый элемент модели может находиться в одном из трех состояний, условно обозначаемых как –1, 0 и +1. Между спинами задали особую схему взаимодействий, воспроизводящую правила калибровочной теории ранга 2. Затем ученые рассчитали поведение системы с помощью метода Монте-Карло на основе функции Грина.
Он применяется для изучения сложных квантовых систем, в которых невозможно напрямую перебрать все возможные конфигурации. Количество таких вариантов быстро увеличивается с каждым новым элементом решетки, поэтому исследователи используют вероятностные расчеты и постепенно приближаются к наиболее низкоэнергетическому состоянию системы.
Особое внимание ученые уделили влиянию квантовых эффектов. В прежних моделях возникала проблема: при слишком слабых квантовых взаимодействиях фрактоны сохранялись, но фактически оставались классическими объектами. При усилении этих эффектов искомая фаза разрушалась или уступала место обычному магнитному порядку.
Использование спина 1 дало каждому узлу решетки дополнительное состояние по сравнению с моделью со спином 1/2. В результате система получила больше возможных способов перестраиваться, не нарушая ограничений, отвечающих за существование фрактонов.
Расчеты показали, что при определенном соотношении параметров в модели не формируется обычный магнитный порядок. Вместо него возникает квантовая фаза, свойства которой соответствуют фрактонной спиновой жидкости.
Как физики нашли признаки фрактонов
Поскольку исследование проводилось на компьютере, ученые не наблюдали отдельные квазичастицы напрямую. Они искали характерные признаки, которые должны появиться в магнитном отклике системы при возникновении фрактонной фазы.
Одним из таких показателей стал магнитный структурный фактор. Он отражает, как состояния спинов в разных частях решетки связаны друг с другом. Результат обычно изображают в виде карты в импульсном пространстве, где разные типы магнитного поведения создают характерные рисунки.
В рассчитанной картине появились так называемые подавленные точки сжатия. Это особые элементы распределения магнитных корреляций, которые предсказывает калибровочная теория ранга 2. Их форма практически совпала с теоретической картиной, ожидаемой для фрактонной квантовой спиновой жидкости.
Другим признаком стало появление бесщелевых коллективных возбуждений, которые авторы называют эмерджентными фотонами. Они не являются частицами света и не представляют собой обычное электромагнитное излучение.
Такие «фотоны» возникают только внутри квантовой системы как результат коллективного поведения спинов. Их свойства описываются уравнениями, похожими на те, которые используются для обычных фотонов. В новой модели они существуют в двух пространственных измерениях и времени, поэтому исследователи говорят о пространстве-времени размерности 2+1. Ученые обнаружили признаки фрактонной фазы не только в основном состоянии системы с минимальной энергией, но и в ряде близких низкоэнергетических состояний. Это показывает, что результат не сводится к одной специально подобранной конфигурации.
Зачем фрактоны нужны квантовым технологиям
Современные квантовые системы крайне чувствительны к внешним воздействиям. Тепло, электромагнитный шум и несовершенство оборудования могут изменить состояние кубита и привести к потере записанной информации.
Во многих системах локальное возмущение создает возбуждение, способное свободно перемещаться и распространять ошибку на соседние участки. С фрактонами это сделать сложнее: одиночное возбуждение остается на месте, а для его перемещения необходимо согласованное изменение сразу нескольких элементов.
Теоретически такая ограниченная подвижность может затруднить распространение некоторых ошибок и сделать квантовую информацию более устойчивой. По этой причине фрактонные системы рассматриваются как один из возможных подходов к созданию квантовой памяти.
Однако практическое применение пока остается гипотезой. В новом исследовании ученые не создавали устройство для хранения информации, не записывали данные и не измеряли срок их сохранения. Работа посвящена существованию самой квантовой фазы, на свойствах которой в будущем потенциально могут основываться соответствующие технологии.
Даже после экспериментального обнаружения фрактонов исследователям придется научиться управлять ими, записывать и считывать информацию, а также проверить, действительно ли ограниченная подвижность обеспечивает защиту в реальных условиях.
Когда фрактоны смогут обнаружить в эксперименте
Фрактоны, предсказанные именно для квантовых спиновых жидкостей, пока не наблюдались непосредственно в эксперименте. Разработанная авторами система также остается теоретической моделью, а не готовым материалом. Следующей задачей станет создание физической платформы, способной воспроизвести заданную схему взаимодействий между спинами.
Ридберговским называют атом, один из электронов которого переведен на высокий энергетический уровень. Такие атомы обладают сильным взаимодействием, а их состояниями можно управлять с помощью лазеров.
Размещая ридберговские атомы в заданном порядке, исследователи создают программируемые решетки и имитируют внутри них процессы, происходящие в сложных квантовых материалах. Это позволяет проверить теоретическую модель, даже если подходящее природное вещество пока неизвестно.
Для поиска фрактонной фазы потребуется воспроизвести необходимую геометрию взаимодействий, подготовить систему в низкоэнергетическом состоянии и измерить корреляции между ее элементами. Совпадение полученной картины с расчетами станет аргументом в пользу экспериментальной реализации фрактонной квантовой спиновой жидкости.
