Негауссова статистика параметра порядка вблизи фазового перехода впервые измерена экспериментально

Физики из Университета Мюнстера и Института квантовой оптики Макса Планка впервые экспериментально измерили негауссову статистику параметра порядка вблизи фазового перехода. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature 15 января 2025 года, подтверждают давние теоретические предсказания и могут изменить подход к изучению критических явлений. Это открытие стало возможным благодаря использованию ультрахолодных газов и методов флуоресцентной микроскопии с разрешением на уровне отдельных атомов.

Первое экспериментальное наблюдение негауссовой статистики

В ходе эксперимента учёные изучали фазовый переход в ультрахолодном газе атомов рубидия-87, помещённом в оптическую решётку. При охлаждении до температур порядка нанокельвинов газ переходит из сверхтекучего состояния в состояние с изолирующей фазой Мотта. Ключевым результатом стало измерение распределения параметра порядка — величины, описывающей степень упорядоченности системы. Вблизи точки перехода распределение параметра порядка оказалось не гауссовым, как предсказывает классическая теория, а имело выраженную асимметрию и длинные хвосты. Это негауссово поведение, по словам авторов, отражает сильные флуктуации, характерные для критической области. Измерения проводились с помощью метода флуоресцентной микроскопии с разрешением на уровне отдельных атомов.

Предыстория и контекст

Идея о том, что вблизи фазовых переходов статистика параметра порядка может отклоняться от гауссовой, обсуждалась в теоретической физике с 1970-х годов. Однако экспериментально подтвердить это не удавалось из-за сложности создания и измерения систем в критической области. Предыдущие попытки сталкивались с шумами и недостаточным разрешением. Открытие вписывается в более широкий контекст изучения критических явлений — области, заложенной работами Кеннета Уилсона, удостоенными Нобелевской премии. Современные эксперименты с квантовыми газами позволяют воспроизводить теоретические модели с высокой точностью.

Почему негауссова статистика важна для понимания фазовых переходов?

Фазовый переход — это резкое изменение свойств системы при достижении определённой температуры, называемой критической точкой. Параметр порядка — это величина, которая равна нулю в одной фазе и отлична от нуля в другой. Вблизи критической точки флуктуации становятся очень сильными, и распределение параметра порядка перестаёт быть гауссовым. Это означает, что стандартные статистические методы, основанные на гауссовом распределении, могут давать неверные результаты. Понимание негауссовой статистики позволяет точнее описывать поведение систем в критической области, что важно для теории критических явлений и её применений.

Технические подробности эксперимента

Экспериментальная установка включала оптическую решётку, созданную интерференцией трёх лазерных лучей. Атомы рубидия-87 охлаждались до температур около 5 нК. Фазовый переход контролировался изменением глубины решётки. Для измерения параметра порядка использовалась флуоресцентная микроскопия с разрешением 0,5 микрона. Авторы зарегистрировали более 10 000 реализаций системы, чтобы построить статистически значимое распределение. Негауссовость была подтверждена с уровнем значимости более 5 сигма. Полученные данные хорошо согласуются с моделью трёхмерной XY-модели, предсказывающей негауссову статистику.

Кого затронет и как

Результаты важны для физиков-теоретиков, изучающих критические явления, и экспериментаторов, работающих с квантовыми газами. Открытие может стимулировать разработку новых методов анализа фазовых переходов в других системах, включая высокотемпературные сверхпроводники и нейтронные звёзды. Для российской физики это напоминание о важности поддержки экспериментальных исследований в области квантовых технологий. Кроме того, эти результаты могут быть использованы для улучшения квантовых симуляторов, которые моделируют сложные квантовые системы.

Что будет дальше

Учёные планируют расширить эксперимент на другие типы фазовых переходов, включая топологические. Также они намерены исследовать, как негауссова статистика влияет на динамику вблизи критической точки. В перспективе эти результаты могут быть использованы для создания более точных квантовых симуляторов, которые помогут изучать материалы с экзотическими свойствами, такие как высокотемпературные сверхпроводники. Дальнейшие исследования могут также пролить свет на природу квантовых фазовых переходов.

Итог

Экспериментальное подтверждение негауссовой статистики параметра порядка вблизи фазового перехода — значимый шаг в понимании критических явлений. Работа демонстрирует мощь современных квантовых симуляторов и открывает новые направления для исследований в физике конденсированного состояния. Это открытие не только подтверждает теоретические предсказания, но и предоставляет новый инструмент для изучения сложных систем.