นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นและสหรัฐอเมริกาใช้อะตอมที่เย็นกว่าอวกาศระหว่างดวงดาวประมาณ 3 พันล้านเท่าเพื่อเปิดประตูสู่อาณาจักรควอนตัมแม่เหล็กที่ยังมิได้สำรวจ
Kaden Hazzardผู้เขียนทฤษฎีที่เกี่ยวข้องของการ ศึกษา ที่ ตีพิมพ์ ใน Nature Physicsกล่าวว่า “เว้นแต่อารยธรรมมนุษย์ต่างดาวจะทำการทดลองเช่นนี้ เมื่อใดก็ตามที่การทดลองนี้ดำเนินการในมหาวิทยาลัยเกียวโต มันก็จะทำให้เกิด fermions ที่เย็นที่สุดในจักรวาล” “ Fermions ไม่ใช่อนุภาคหายาก สิ่งเหล่านี้รวมถึงสิ่งต่าง ๆ เช่นอิเล็กตรอนและเป็นหนึ่งในสองประเภทของอนุภาคที่สร้างจากสสารทั้งหมด”
ทีมเกียวโตที่นำโดยผู้เขียนศึกษา Yoshiro Takahashi ใช้เลเซอร์เพื่อทำให้เฟอร์มิออนเย็นลง อะตอมของอิตเทอร์เบียม ภายในประมาณหนึ่งในพันล้านของระดับศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ไม่สามารถบรรลุได้ซึ่งการเคลื่อนไหวทั้งหมดหยุดลง นั้นเย็นกว่าอวกาศระหว่างดวงดาวประมาณ 3 พันล้านเท่า ซึ่งยังคง อบอุ่นจากแสงระเรื่อ จากบิกแบง
Hazzard กล่าวว่า “ผลที่ได้รับจากการเป็นหวัดก็คือฟิสิกส์เปลี่ยนแปลงไปจริงๆ” “ฟิสิกส์เริ่มกลายเป็นกลศาสตร์ควอนตัมมากขึ้นและช่วยให้คุณเห็นปรากฏการณ์ใหม่ ๆ “
อะตอมอยู่ภายใต้กฎของพลวัตของควอนตัมเช่นเดียวกับอิเล็กตรอนและโฟตอน แต่พฤติกรรมควอนตัมของพวกมันจะปรากฏชัดก็ต่อเมื่อถูกทำให้เย็นลงภายในเศษเสี้ยวของระดับศูนย์สัมบูรณ์ นักฟิสิกส์ใช้ การ ระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ เพื่อศึกษาคุณสมบัติควอนตัมของอะตอมที่เย็นจัดมากว่าศตวรรษ เลเซอร์ถูกใช้เพื่อทำให้อะตอมเย็นลงและจำกัดการเคลื่อนที่ของพวกมันไปยัง ช่องตาข่ายแสง 1D, 2D หรือ 3D ของแสงที่สามารถใช้เป็น เครื่องจำลองควอนตัม ที่ สามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนเกินกว่าที่คอมพิวเตอร์ทั่วไปจะเอื้อมถึง
“เว้นแต่ว่าอารยธรรมมนุษย์ต่างดาวจะทำการทดลองเช่นนี้ ทุกครั้งที่การทดลองนี้ดำเนินการที่มหาวิทยาลัยเกียวโต จะทำให้เฟอร์มิออนที่เย็นที่สุดในจักรวาล”
ห้องทดลองของทากาฮาชิใช้โครงข่ายแสงเพื่อจำลองแบบจำลอง ฮับบาร์ดซึ่งเป็นแบบจำลองควอนตัมที่ใช้บ่อยซึ่งสร้างขึ้นในปี 2506 โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี จอห์น ฮับบาร์ด นักฟิสิกส์ใช้แบบจำลองของฮับบาร์ดเพื่อตรวจสอบพฤติกรรมแม่เหล็กและตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนก่อให้เกิด พฤติกรรมร่วมกัน คล้ายกับปฏิกิริยาร่วมกันของแฟนกีฬาที่ส่งเสียงเชียร์ซึ่งแสดง “คลื่น” ในสนามกีฬาที่มีผู้คนหนาแน่น
Hazzard รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์และสมาชิกของ Rice Quantum Initiativeกล่าวว่า “เทอร์โมมิเตอร์ที่พวกเขาใช้ในเกียวโตเป็นหนึ่งในสิ่งสำคัญที่ทฤษฎีของเรา กำหนด “การเปรียบเทียบการวัดกับการคำนวณของเรา เราสามารถกำหนดอุณหภูมิได้ อุณหภูมิที่บันทึกได้นั้นทำได้ด้วยฟิสิกส์ใหม่ที่สนุกสนานซึ่งเกี่ยวข้องกับความสมมาตรที่สูงมากของระบบ”
โมเดล Hubbard จำลองในเกียวโตมีความสมมาตรพิเศษที่เรียกว่า SU (N) โดยที่ SU ย่อมาจาก กลุ่มรวมพิเศษ ซึ่งเป็นวิธีทางคณิตศาสตร์ในการอธิบายสมมาตร และ N หมายถึง สถานะการหมุน ที่เป็นไปได้ ของอนุภาคในแบบจำลอง ยิ่งมีค่า N มากเท่าใด ความสมมาตรของแบบจำลองและความซับซ้อนของพฤติกรรมแม่เหล็กที่อธิบายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อะตอมของอิตเทอร์เบียมมีสถานะการหมุนที่เป็นไปได้หกสถานะ และเครื่องจำลองเกียวโตเป็นเครื่องแรกที่เปิดเผยความสัมพันธ์ทางแม่เหล็กในแบบจำลองฮับบาร์ด SU (6) ซึ่งไม่สามารถคำนวณบนคอมพิวเตอร์ได้
“นั่นเป็นเหตุผลที่แท้จริงที่จะทำการทดลองนี้” Hazzard กล่าว “เพราะเราต้องการทราบฟิสิกส์ของแบบจำลอง SU(N) Hubbard นี้”
Eduardo Ibarra-García-Padillaผู้ร่วมวิจัย ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่มวิจัยของ Hazzard กล่าวว่าแบบจำลอง Hubbard มีจุดมุ่งหมายเพื่อรวบรวมส่วนผสมที่น้อยที่สุดเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมวัสดุที่เป็นของแข็งจึงกลายเป็นโลหะ ฉนวน แม่เหล็ก หรือตัวนำยิ่งยวด
“คำถามที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่การทดลองสามารถสำรวจได้คือบทบาทของสมมาตร” Ibarra-García-Padilla กล่าว “การมีความสามารถด้านวิศวกรรมในห้องปฏิบัติการนั้นเป็นเรื่องพิเศษ หากเราเข้าใจสิ่งนี้ มันอาจจะทำให้เราสร้างวัสดุจริงด้วยคุณสมบัติใหม่ที่ต้องการ”
ทีมของทากาฮาชิแสดงให้เห็นว่าสามารถดักจับอะตอมได้มากถึง 300,000 อะตอมในโครงตาข่ายสามมิติของมัน Hazzard กล่าวว่าการคำนวณพฤติกรรมของอนุภาคนับสิบอย่างถูกต้องในแบบจำลองฮับบาร์ด SU (6) นั้นอยู่ไกลเกินเอื้อมของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุด การทดลองของเกียวโตเปิดโอกาสให้นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ว่าระบบควอนตัมที่ซับซ้อนเหล่านี้ทำงานอย่างไรโดยดูจากการทำงานจริง
ผลลัพธ์เป็นขั้นตอนสำคัญในทิศทางนี้ และรวมถึงการสังเกตครั้งแรกของการประสานงานของอนุภาคในแบบจำลองฮับบาร์ด SU (6) Hazzard กล่าว
“ขณะนี้การประสานงานนี้อยู่ในระยะใกล้ แต่เมื่ออนุภาคเย็นลงยิ่งขึ้น ระยะที่ละเอียดกว่าและแปลกใหม่กว่าก็สามารถปรากฏขึ้นได้” เขากล่าว “สิ่งที่น่าสนใจอย่างหนึ่งเกี่ยวกับขั้นตอนที่แปลกใหม่เหล่านี้คือพวกเขาไม่ได้จัดลำดับในรูปแบบที่ชัดเจน และพวกเขาก็ไม่ได้สุ่มด้วยเช่นกัน มีความสัมพันธ์กัน แต่ถ้าคุณดูสองอะตอมแล้วถามว่า ‘พวกมันมีความสัมพันธ์กันหรือไม่’ คุณจะไม่เห็นพวกเขา พวกมันบอบบางกว่ามาก คุณไม่สามารถดูอะตอมสองหรือสามหรือ 100 อะตอมได้ คุณต้องดูทั้งระบบ”
นักฟิสิกส์ยังไม่มีเครื่องมือที่สามารถวัดพฤติกรรมดังกล่าวในการทดลองของเกียวโตได้ แต่ Hazzard กล่าวว่างานกำลังดำเนินการเพื่อสร้างเครื่องมือ และความสำเร็จของทีม Kyoto จะกระตุ้นความพยายามเหล่านั้น
“ระบบเหล่านี้ค่อนข้างแปลกใหม่และพิเศษ แต่ความหวังก็คือการศึกษาและทำความเข้าใจกับระบบเหล่านี้ เราสามารถระบุส่วนประกอบสำคัญที่จำเป็นต้องมีในวัสดุจริงได้” เขากล่าว
ผู้ร่วมวิจัย ได้แก่ Shintaro Taie, Naoki Nishizawa และ Yosuke Takasu จาก Kyoto, Hao-Tian Wei จากทั้ง Rice และ Fudan University ในเซี่ยงไฮ้ Yoshihito Kuno จากมหาวิทยาลัย Tsukuba ใน Ibaraki ประเทศญี่ปุ่นและ Richard Scalettar จาก University of California เดวิส.
การวิจัยที่ Rice ได้รับการสนับสนุนจาก Welch Foundation (C-1872) และ National Science Foundation (1848304)
