实验室材料比深空冷约30亿倍

一位艺术家对复杂磁相关性的概念物理学家用京都大学的一个突破性的量子模拟器观察到，该模拟器使用的镱原子比深空冷约30亿倍。不同的颜色代表每个原子的六种可能的自旋状态。该模拟器使用多达300，000个原子，使物理学家能够直接观察粒子如何在量子磁体中相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的范围。

物理学家使用比星际空间冷约30亿倍的原子来打开通往未探索的量子磁性领域的门户。

“除非外星文明现在正在做这样的实验，否则每当这个实验在京都大学进行时，它就会制造宇宙中最冷的费米子，”莱斯大学的Kaden Hazzard说，他是今天发表在《自然物理学》上的一项研究的通讯理论作者。“费米子不是稀有粒子。它们包括电子等物质，是所有物质组成的两种类型的粒子之一。

由研究作者高桥义郎(Yoshiro Takahashi)领导的京都研究小组使用激光将其费米子(镱原子)冷却到绝对零度的十亿分之一左右，这是所有运动停止的无法达到的温度。这比星际空间冷约30亿倍，星际空间仍然被大爆炸的余晖加热。

“感冒的回报是物理学真的改变了，”哈扎德说。“物理学开始变得更加量子力学，它让你看到新的现象。

原子像电子和光子一样受制于量子动力学定律，但它们的量子行为只有在绝对零度的一小部分内冷却时才会变得明显。物理学家使用激光冷却来研究超冷原子的量子特性已经超过四分之一个世纪了。激光既用于冷却原子，又将其运动限制在光学晶格，1D，2D或3D光通道上，这些光可以作为量子模拟器，能够解决传统计算机无法解决的复杂问题。

“除非外星文明现在正在做这样的实验，否则每当这个实验在京都大学进行时，它都在制造宇宙中最冷的费米子。

高桥的实验室使用光学晶格来模拟贺伯特模型，这是理论物理学家约翰贺伯特在1963年创建的经常使用的量子模型。物理学家使用贺伯特模型来研究材料的磁性和超导行为，特别是那些电子之间的相互作用产生集体行为的行为，有点像在拥挤的体育场中表演“波浪”的欢呼体育迷的集体互动。

“他们在京都使用的温度计是我们理论提供的重要东西之一，”物理学和天文学副教授，水稻量子倡议成员Hazzard说。“将他们的测量结果与我们的计算结果进行比较，我们可以确定温度。创纪录的温度得益于有趣的新物理特性，这与系统的高度对称性有关。

在京都模拟的贺伯特模型具有特殊的对称性，称为SU(N)，其中SU代表特殊的酉群 - 一種描述对称性的数学方式 - N表示模型中粒子的可能自旋状态。N 的值越大，模型的对称性及其描述的磁性行为的复杂性就越大。镱原子有六种可能的自旋状态，京都模拟器是第一个揭示SU(6)哈伯德模型中磁相关性的模拟器，这在计算机上是不可能计算出来的。

“这是做这个实验的真正原因，”哈扎德说。「因为我们渴望知道这个SU(N)贺伯特模型的物理学。

研究的共同作者爱德华多·伊瓦拉 - 加西亚 - 帕迪拉，哈扎德研究小组的研究生，他说哈伯德模型旨在捕获最小的成分，以了解为什么固体材料成为金属，绝缘体，磁铁或超导体。

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