Vědci poprvé vytvořili třísložkový Hubbardův systém s laditelnými interakcemi

Mezinárodní tým vědců z Německa, Thajska, Indie, Číny a Spojených států poprvé v laboratoři vytvořil třísložkový Hubbardův systém s laditelnými interakcemi. Výsledek, který shrnuje studie publikovaná v časopise Science, má podle autorů poskytnout základ pro budoucí kvantové simulace v jaderné fyzice a vědě o materiálech.

Hubbardův model patří mezi základní nástroje, jimiž fyzikové popisují chování částic v krystalové mříži. Zachycuje dva základní děje: pohyb částic mezi jednotlivými místy mříže a vzájemné působení, které nastává, když se dvě částice ocitnou na stejném místě. Právě z této zdánlivě jednoduché kombinace vznikají složité jevy, například vodivost, magnetismus či supravodivost. Dosavadní experimenty se zpravidla soustředily na systémy se dvěma složkami. Nový výzkum tento rámec rozšiřuje na tři složky, tedy na situaci, kdy se v mříži pohybují tři různé typy částic, které mezi sebou interagují.

Klíčovou vlastností nově vytvořeného systému je, že interakce v něm lze laditelně nastavovat. Vědci tak mohou měnit sílu vzájemného působení mezi složkami a sledovat, jak se podle toho mění chování celého uskupení. Právě možnost takového řízení činí z laboratorního systému užitečný nástroj pro takzvané kvantové simulace, v nichž se jeden kvantový systém využívá k napodobení jiného, který je příliš složitý na to, aby ho bylo možné spočítat běžnými počítači nebo přímo zkoumat.

Atomy v systému byly zviditelněny pomocí kvantového plynového mikroskopu. Jde o přístroj, který umožňuje pozorovat jednotlivé atomy uvězněné v optické mříži, tedy v periodické struktuře vytvořené světlem. Díky tomu mohou výzkumníci zaznamenat, kde se jednotlivé atomy nacházejí, a získat tak velmi podrobný obraz o tom, jak se systém chová. Kombinace tří složek, laditelných interakcí a pozorování na úrovni jednotlivých atomů je podle výsledků studie nově dosažený krok.

Za zmínku stojí i složení výzkumného týmu. Na práci se podíleli odborníci z pěti zemí a čtyř světových oblastí, což odráží, že kvantová fyzika ultrachladných atomů je obor s rozsáhlou mezinárodní spoluprací. Konkrétní instituce ani jména jednotlivých autorů dostupné informace neuvádějí.

Pro oblast, na kterou autoři mířili, má výsledek několik možných dopadů. V jaderné fyzice se setkáváme se systémy, v nichž hrají roli více než dvě složky. Příkladem jsou částice, které se v atomovém jádře navzájem ovlivňují několika typy sil, a jejich přesný popis patří k obtížným úlohám. Třísložkový Hubbardův systém by mohl sloužit jako modelová platforma, na níž by bylo možné podobné jevy zkoumat v kontrolovaných laboratorních podmínkách. Ve vědě o materiálech zase může pomoci lépe porozumět složitým materiálům, u nichž se uplatňuje několik typů nositelů náboje nebo několik vnitřních stupňů volnosti.

Je třeba zdůraznit, že jde o základní výzkum a první experimentální realizaci takového systému. Studie ukazuje, že třísložkový Hubbardův systém s laditelnými interakcemi lze v laboratoři vytvořit a pozorovat, nikoli že by již přinesla konkrétní aplikace. Autoři své zjištění označují za základ pro budoucí kvantové simulace, což znamená, že skutečné využití se teprve bude rozvíjet v navazujících experimentech.

Kvantové simulace přitom patří k oblastem, které se v poslední době rychle vyvíjejí. Protože chování kvantových systémů s mnoha částicemi roste na výpočetní náročnosti extrémně rychle, běžné počítače často narážejí na své limity. Experimentální platformy z ultrachladných atomů nabízejí cestu, jak tyto limity obejít, a to tím, že se samotný atomový systém stane výpočetním nástrojem. Rozšíření z dvou na tři složky otevírá prostor pro úlohy, které se dvěma složkami zachytit nelze.

Další kroky budou záviset na tom, jak dobře se podaří nový systém využít ke zkoumání konkrétních fyzikálních otázek. Právě tady se ukáže praktická hodnota publikovaného výsledku, který zatím představuje především technický a metodický úspěch v oboru kvantové simulace.