準結晶格子に実装された量子シミュレータ

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ビデオ: 【超伝導にもなる】第3の固体!準結晶の不思議【固体量子】【VRアカデミア】 2022, 12月
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Anonim
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物理学者は、光格子内に冷たい原子の雲を保持する可能性を実験的に実証した最初の人物であり、その特性は、禁止された回転対称性を持つ準結晶内の原子の配置に対応しています。その結果、準結晶は多次元の規則的な結晶の投影として説明できるため、科学者は特殊な形状のポテンシャルを持つ制御可能な粒子系を取得しました。これにより、高次元の空間で予測される現象を研究することができます。低次元のスペース。実験を説明する記事がPhysicalReviewLettersに掲載されました。

固体には、結晶とアモルファス物質の2つの主要なタイプがあります。前者は、原子の配置の周期性と長距離秩序の存在、つまり原子間秩序よりもはるかに大きい距離での秩序によって特徴付けられます。 2番目のグループの固体では、この種のものは何も観察されません。しかし、35年前、Dan Shechtmanは中間タイプの物質である準結晶を発見し、2011年にノーベル化学賞を受賞しました。それらは厳密な周期性を持っていませんが、それでもある程度の長距離秩序を示します。

数学的観点から、結晶と準結晶の間には大きな違いがあります。特に、厳密に周期的な構造は、2次、3次、4次、または6次の対称軸しか持つことができません。つまり、対応する360度の割合に等しい角度で回転すると、それらは互いに一致します。しかし、Shekhtmanの研究では、電子線回折に基づいて、研究されたアルミニウムとマンガンの合金には10次対称性があると結論付けられました。このような分布は、実際の結晶に必要な並進対称性を持つことはできません。つまり、特定の距離にわたる平行移動時にそれ自体と一致することはできません。そのような特性を持つ周期的配置の不可能性にもかかわらず、準結晶の原子は、それにもかかわらず、長距離秩序の存在を示しました。

禁じられた対称性に加えて、フラクタルのような準結晶も自己相似性によって特徴付けられます。つまり、それらは異なるスケールで完全に対応するまでそれら自身に似ています。この特性は、回折パターンのピークの分布に現れます。このパターンでは、任意の小さなパルスに対応するポイントが拡大して表示されます。さらに、通常の結晶(ブロッホ波)の電子の周期波動関数とは対照的に、準結晶ではフラクタルでもあります。

実際の準結晶の研究に加えて、量子シミュレーター(制御された条件下での粒子のシステム)でそれらをシミュレートすることを試みることができます。このようなアプローチは、物理学で他の複雑な現象、たとえば、サイズ、ダイナミクス、または他の特性によって直接詳細に研究することが困難な場合の高温超伝導をモデル化するために使用されます。量子シミュレータのタイプの1つは、交差するレーザービームによって作成されたポテンシャル内の冷たい原子の雲である光格子です。通常、周期格子が作成されますが、準周期格子も可能です。そのため、周期が有理数として関連付けられていない複数の格子を重ね合わせる必要があります。一次元と二次元の両方の準周期的格子はすでに作られていますが、それらは禁じられた対称次数を持っていませんでした。ある研究ではこれが実現されましたが、使用される原子の遷移にレーザー周波数が近接しているため、相互作用が過度に強くなり、量子シミュレーターモードでの作業が不可能になりました。

ケンブリッジ大学のUlrichSchneiderの指導の下での研究は、量子シミュレーターに適した禁止された8次対称性を持つ2次元準周期光格子を作成した最初の研究です。これは、45度間隔で配置された4つの1次元格子を交差させることによって作成されました。著者らは、原子が放射線との共鳴相互作用を経験しないようにシステムを調整しました。これにより、準周期ポテンシャルのボーズ・アインシュタイン凝縮の状態で物質のダイナミクスを研究することができました。

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異なる数のスイッチオンされた1次元光格子を持つ空間内の原子の分布。 3つを含めると、1つの対角線方向に沿って準周期ポテンシャルが作成され、4つすべてを含めると、2次元の準周期ポテンシャルが作成されます。

著者らは、既存の格子にフーリエ変換を適用した結果である逆格子空間における凝縮体のダイナミクスを調査し、その中の座標は直接空間のインパルスに対応しています。準結晶のフラクタル性により、逆格子空間には、粒子が占める可能性のある、あまり目立たない状態が無数にあり、この状況を通常の結晶とは大きく区別します。実験によると、原子はこの空間を量子的に満たし、八角形の無限のセットの自己相似構造を形成し、スケールが(1 +√2)倍異なります。これは、35年前にShechtmanによって測定された電子回折の類似物です。 。

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準周期的ポテンシャルへの曝露時間に応じた原子の分布。パルスが非常に短いと、回折の1次に対応する状態のみが満たされ、パルスが長いと、フラクタル逆格子空間のすべての高次が満たされます。

この研究で使用される準周期格子は、厳密に周期的な4次元構造の2次元投影であり、生成する格子の特性は、そのようなポテンシャルにおける粒子運動のパラメーターに影響を与えます。これは、このような量子シミュレータを使って高次元の現象を研究する可能性を示しています。特に、このような現象には、偶数次元の空間にのみ存在する量子ホール効果が含まれますが、その4次元バージョンは直接観測できません。

著者らは、彼らの研究が、さまざまなエキゾチックな高次元トポロジー現象をシミュレートするものを含む、さらに複雑な量子シミュレーターを作成する可能性を示していると信じています。一方、準周期ポテンシャル自体は、べき法則で記述されていない量子臨界、トポロジカルエッジ状態、スパイラルホロノミーなど、準結晶で予測される現象を詳細に研究することを可能にします。

目立った時代にもかかわらず、準結晶研究の分野にはまだ多くの未解決の質問があります。たとえば、そのような特性を持つ最初の天然化合物の発見だけでなく、特に隕石で行われた場合、次のすべての化合物の発見は驚くべきものでした。比較的最近、科学者は初めて準結晶相の成長を詳細に観察しました。偶然発見された異常な性質の物質について、「予期していなかった物質」というテキストで話しました。

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