Физики реализовали трёхкомпонентную модель Хаббарда на ультрахолодных атомах лития-6 в решётке

Международная группа физиков распространила квантовую газовую микроскопию на ферми-газы лития-6 с тремя внутренними состояниями в оптической решётке, сообщает журнал Science. Исследователи изучили фазовую диаграмму трёхкомпонентной модели Хаббарда. По их данным, они обнаружили признаки селективной по компонентам локализации и селективного спаривания при температурах вплоть до масштаба энергии туннелирования science.orgSciencescience.orgОткрыть источник ↗. Измерения сопоставили с численными расчётами методом разложения по связным кластерам.

Стандартная модель Хаббарда описывает взаимодействующие электроны с двумя спиновыми состояниями, вверх и вниз. При простой записи её по-прежнему очень трудно решить. Третья компонента могла бы открыть новые квантовые режимы, но трёхчастичные столкновения способны выбивать атомы из системы и осложняют эксперимент.

Установка и измерения

Атомы находятся в оптической решётке — искусственном кристалле из лазерного света с регулярно расположенными узлами. Они могут туннелировать между соседними узлами. Три внутренних квантовых состояния лития-6 задают три различных фермионных компоненты. Меняя магнитное поле, исследователи независимо настраивали взаимодействие в каждой паре компонент, получив три отдельные величины взаимодействия.

Микроскоп квантового газа с разрешением по компонентам различал все три сорта атомов и определял положение отдельных атомов. С его помощью команда изучила, как частицы заполняют узлы. Она выявила моттовское изолирующее состояние, в котором сильное взаимодействие подавляет многократное заполнение узлов и ограничивает движение частиц. Для этого измеряли флуктуации заселённости и отклик системы на изменение плотности. Питер Шаус, профессор физики Университета Вирджинии и один из авторов, отметил, что наблюдение моттовского состояния было для группы особенно важной целью.

Результаты и ограничения

В зависимости от силы взаимодействия одни пары компонент демонстрировали ферромагнитные корреляции, другие — антиферромагнитные. Кроме того, измерили узлы с тройным заполнением, где находятся все три компоненты. Эти данные согласуются с численными расчётами коллег из Университета Райса.

Трёхчастичные столкновения по-прежнему приводят к потерям атомов, а нагрев затрудняет достижение низких температур, нужных для более тонких квантовых фаз. Тем не менее, по словам Шауса, система оказалась на удивление стабильной, и измерения удалось провести.

Авторы заявляют, что дальнейшее повышение плотности в фазовом пространстве может позволить наблюдать отдельную фазу спаренного моттовского состояния при половинном заполнении. Они также видят в этом путь к изучению цветовой сверхтекучести и других аспектов квантовой хромодинамики science.orgSciencescience.orgОткрыть источник ↗. Группа планирует уточнить взаимодействия, искать спаренное моттовское состояние и исследовать треугольные решётки и решётки кагомé.