En 2013, François Englert y Peter Higgs ganaron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de partículas subatómicas, que fue confirmado a través del descubrimiento de la partícula fundamental predicha por el Aparato Toroidal LHC A (ATLAS) y los experimentos de Solenoide de Muón Compacto (CMS) en el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en 2012. El modo Higgs o el mecanismo de Anderson-Higgs (llamado así por otro premio Nobel Philip W Anderson), tiene una gran influencia en nuestra comprensión actual de la ley física de la masa, desde la física de partículas, el escurridizo bosón de Higgs de la "partícula de Dios" descubierto en 2012 hasta los fenómenos más familiares e importantes de superconductores e imanes en la física de la materia condensada y la investigación de materiales cuánticos.

El modo Higgs, junto con el modo Goldstone, es causado por la ruptura espontánea de simetrías continuas en los diversos sistemas de material cuántico. Sin embargo, diferente del modo Goldstone, que se ha observado ampliamente a través de espectroscopias de dispersión de neutrones y resonancia magnética nuclear en imanes cuánticos o superconductores, la observación del modo de Higgs en el material es mucho más desafiante debido a su sobreamortiguación habitual, que es también la propiedad de su primo de la física de partículas:el escurridizo bosón de Higgs. Para debilitar estos amortiguadores, Se han sugerido dos caminos desde el lado teórico, a través de (1) puntos críticos cuánticos y (2) cruce dimensional de dimensiones altas a dimensiones inferiores. Para 1), personas han logrado varios resultados notables, mientras que hay pocos éxitos en (2).

Para cubrir esta brecha de conocimiento, desde 2020, Sr. Chengkang Zhou, luego un doctorado de primer año. estudiante, Dr. Zheng Yan y Dr. Zi Yang Meng de la División de Investigación de Física y Astronomía de la Universidad de Hong Kong (HKU), diseñó un ajuste de cruce dimensional a través de cadenas de giro acopladas. Aplicaron la simulación cuántica de Monte Carlo (QMC) para investigar los espectros de excitación del problema. Trabajando en equipo con el Dr. Hanqing Wu de la Universidad Sun Yat-Sen, Profesor Kai Sun de la Universidad de Michigan, y el profesor Oleg A Starykh de la Universidad de Utah, observaron tres tipos diferentes de excitación colectiva en el límite cuasi-1D, incluido el modo Goldstone, el modo de Higgs y el modo escalar. Combinando análisis numéricos y analíticos, explicaron con éxito estas excitaciones, y en particular, reveló la clara presencia del modo Higgs en los sistemas magnéticos cuánticos cuasi-1D. Todos estos resultados no solo pueden ayudar a encontrar los parámetros clave del modelo del material, pero también revelan una imagen de cómo la dimensión importa en el material condensado. Estos resultados de la investigación se publican en Cartas de revisión física .

Fondo

Los materiales cuánticos están integrados en nuestra vida diaria, como varios componentes electrónicos, chips de ordenador, y paneles solares. Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la comprensión y manipulación de las interacciones cuánticas de muchos cuerpos en los materiales está desempeñando un papel cada vez más importante. Tal tendencia ya ha mostrado su primer signo. Por ejemplo, los materiales de muaré cuántico 2D, como el grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, han atraído mucha atención y muestran su rendimiento novedoso en la realización de superconductividad en materiales basados ​​en carbono en lugar de los tradicionales materiales basados ​​en silicio. Es más, tecnología informática cuántica, que se basa en la teoría de la superconductividad e incluso la topología se está desarrollando rápidamente para construir chips de computadora más eficientes más allá de la ley de Moore. Junto con estos esfuerzos, la investigación sobre imanes cuánticos es uno de los objetos más importantes, en el que la detección del modo Higgs y los modos Goldstone pueden revelar los parámetros del modelo subyacente del material.

Sin embargo, dado que debe considerarse la interacción de miles de millones de electrones, Es difícil señalar una imagen clara de varios sistemas cuánticos de muchos cuerpos a través de la mecánica cuántica directamente. Por lo tanto, métodos numéricos, como la simulación QMC, se han convertido en tecnologías útiles para estudiar sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Estos métodos numéricos pueden brindarnos información útil y propiedades de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos y mostrar el micro mecanismo de estos sistemas. Esta información estimularía el desarrollo de la teoría además de orientar el diseño experimental, lo que ayudaría a los científicos e ingenieros a descubrir materiales y componentes cuánticos más novedosos.

El modo Higgs a través del cruce dimensional

Para estudiar el micro mecanismo en sistemas cuánticos de muchos cuerpos, Los físicos numéricos suelen presentar un modelo simple basado en conocimientos teóricos y datos experimentales. Luego, aplican métodos de simulación numérica para estudiar el modelo en la región de parámetros razonables. Este procedimiento de investigación se ha utilizado en la investigación del modo de Higgs en los imanes cuánticos, sin embargo, su observación sigue siendo un desafío debido a su característica de sobreamortiguación habitual. Desde el lado de la teoría cuántica, los científicos han sugerido dos caminos. El primero es a través del punto crítico cuántico. En este camino hay varios resultados notables, incluyendo la señal del modo Higgs se ha observado en C ₉ H ₁₈ norte ₂ CuBr ₄ . Pero el segundo camino que es a través del cruce dimensional hacia 1D, todavía está lleno de espacios en blanco y pide más estudio, en parte porque es difícil encontrar un sistema cuántico de muchos cuerpos con reducción dimensional. Tal reducción dimensional debilita el orden de largo alcance del sistema y, por lo tanto, inhibe la función de sobreamortiguación del modo Higgs. El equipo de investigación de la Universidad de Hong Kong, la Universidad Sun Yat-Sen, la Universidad de Michigan y la Universidad de Utah lograron completar estos espacios en blanco simulando numéricamente un modelo de espín cuántico de cruce dimensional, cadenas de giro acopladas (ver Gráfico 1).

El equipo de investigación ideó un modelo de cadenas de espín acopladas mediante la introducción de la interacción entre cadenas. Al reducir la fuerza de estas interacciones entre cadenas (cambiando el valor de J⊥ en la Figura 1 hacia 0), el modelo cambiaría de un sistema 2D a un sistema cuasi-1D. El equipo de investigación utilizó el método QMC para simular el modelo y desarrolló un método eficaz para medir las funciones de correlación de enlace y de espín. No solo observaron el modo de Higgs a través de un cruce dimensional, sino que también encontraron el modo escalar, que es predicha por la teoría del seno-Gordon. Estos resultados hacen que las cadenas de espín acopladas sean un sistema candidato atractivo para estudiar la dinámica cuántica colectiva teórica y experimentalmente.

El modo de Higgs y el espectro del modo escalar

Con la ayuda de las supercomputadoras Tianhe-II y III, el equipo de investigación estudió las cadenas de espín acopladas en el límite cuasi-1D y observó la evolución del espectro del modo Goldstone (Figura 2 (g) y (k)), el modo Higgs (Gráfico 2 (h) y (l)), y el modo escalar (Figura 2 (f) y (j)). La Figura 2 muestra los espectros obtenidos de las simulaciones QMC, donde la línea discontinua azul representa la relación de dispersión según la combinación de la teoría del campo medio y el modelo de la teoría de Sin-Gordon. Como se puede ver en la Figura 2, los resultados numéricos encajan bien con la predicción de la teoría, lo que significa que el equipo de investigación ha logrado captar la señal del modo Higgs. Esta señal es muy útil para diseñar experimentos correspondientes para observar el modo de Higgs a través de un cruce dimensional, como la dispersión de neutrones y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Estos emocionantes resultados también contribuirán a nuestra comprensión del modo de Higgs en la reducción dimensional.

Para describir la aparición del modo de Higgs y el modo escalar, el equipo de investigación también trazó la dependencia de frecuencia de ellos (ver Gráfico 3), donde g es un factor que indica qué tan cerca está el modelo del cuasi-1D. Cuando g =1, las cadenas de giro acopladas están en un sistema 2D, y con g =0, las cadenas de giro acopladas están en un sistema 1D. Comparando la dependencia de frecuencia del espectro con diferentes g, se puede encontrar un pico agudo que emerge a medida que g se reduce, lo que significa que las señales del modo Higgs y el modo escalar son cada vez más fuertes.

El nuevo fenómeno de la física a través del cruce dimensional

En el marco de la física moderna, la simetría y la dimensión son dos de los factores más importantes que determinan las propiedades de la física cuántica de muchos cuerpos. Y el fenómeno causado por la reducción de dimensiones es un tema clave en los sistemas magnéticos cuánticos. El hallazgo del equipo de investigación proporcionó un modelo atractivo y un soporte de datos, que nos ayudan a comprender el papel esencial que desempeña la dimensión en nuestro mundo y estimulan el desarrollo del material y los componentes cuánticos de próxima generación.