Em 2013, François Englert e Peter Higgs ganharam o Prêmio Nobel de Física pela descoberta teórica de um mecanismo que contribui para a nossa compreensão da origem da massa das partículas subatômicas, o que foi confirmado através da descoberta da partícula fundamental prevista pelos experimentos do A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) e do Compact Muon Solenid (CMS) no Grande Colisor de Hádrons da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) em 2012. O modo Higgs ou o mecanismo Anderson-Higgs (em homenagem a outro ganhador do Prêmio Nobel Philip W Anderson), tem ampla influência em nosso entendimento atual da lei física da massa, desde a física das partículas - a evasiva "partícula de Deus" bóson de Higgs descoberta em 2012 até os fenômenos mais familiares e importantes de supercondutores e ímãs na física da matéria condensada e na pesquisa do material quântico.

O modo Higgs, junto com o modo Goldstone, é causada pela quebra espontânea de simetrias contínuas nos vários sistemas materiais quânticos. Contudo, diferente do modo Goldstone, que foi amplamente observado por meio de espectroscopias de espalhamento de nêutrons e ressonância magnética nuclear em ímãs quânticos ou supercondutores, a observação do modo de Higgs no material é muito mais desafiador devido ao seu superamortecimento usual, que também é uma propriedade de seu primo da física de partículas - o elusivo bóson de Higgs. Para enfraquecer esses amortecimentos, dois caminhos foram sugeridos do lado teórico, através de (1) pontos críticos quânticos e (2) cruzamento dimensional de dimensões altas para dimensões inferiores. Por 1), pessoas alcançaram vários resultados notáveis, ao passo que há poucos sucessos em (2).

Para preencher essa lacuna de conhecimento, a partir de 2020, Sr. Chengkang Zhou, em seguida, um Ph.D. no primeiro ano. aluna, Dr. Zheng Yan e Dr. Zi Yang Meng da Divisão de Pesquisa de Física e Astronomia da Universidade de Hong Kong (HKU), projetou uma configuração de crossover dimensional por meio de cadeias de rotação acopladas. Eles aplicaram a simulação quântica de Monte Carlo (QMC) para investigar os espectros de excitação do problema. Em parceria com o Dr. Hanqing Wu da Universidade Sun Yat-Sen, Professor Kai Sun, da Universidade de Michigan, e o professor Oleg A Starykh da Universidade de Utah, eles observaram três tipos diferentes de excitação coletiva no limite quase-1D, incluindo o modo Goldstone, o modo Higgs e o modo escalar. Ao combinar análises numéricas e analíticas, eles explicaram com sucesso essas excitações, e em particular, revelou a presença clara do modo de Higgs nos sistemas magnéticos quânticos quase 1D. Todos esses resultados podem não apenas ajudar a encontrar os principais parâmetros do modelo do material, mas também revelam uma imagem de como a dimensão é importante no material condensado. Os resultados dessas pesquisas são publicados em Cartas de revisão física .

Fundo

Os materiais quânticos estão embutidos em nossa vida diária, como vários componentes eletrônicos, chips de computador, e painéis solares. Com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia, a compreensão e a manipulação das interações quânticas de muitos corpos nos materiais estão desempenhando um papel cada vez mais importante. Essa tendência já deu seu primeiro sinal. Por exemplo, os materiais moiré quânticos 2D, como o grafeno de dupla camada torcida com ângulo mágico, têm atraído muita atenção e mostram seu novo desempenho na realização da supercondutividade em materiais à base de carbono em vez dos tradicionais materiais à base de silício. Além disso, tecnologia de computação quântica, que se baseia na teoria da supercondutividade e até mesmo na topologia está se desenvolvendo rapidamente para construir chips de computador mais eficientes além da lei de Moore. Junto com esses esforços, a pesquisa sobre ímãs quânticos é um dos objetos mais importantes, em que a detecção do modo Higgs e dos modos Goldstone pode revelar os parâmetros de modelo subjacentes do material.

Contudo, uma vez que a interação de bilhões de elétrons deve ser considerada, é difícil apontar uma imagem clara de vários sistemas quânticos de muitos corpos via mecânica quântica diretamente. Portanto, métodos numéricos, como a simulação QMC, tornaram-se técnicos úteis para estudar sistemas quânticos de muitos corpos. Esses métodos numéricos podem nos fornecer informações e propriedades úteis dos sistemas quânticos de muitos corpos e mostrar o micromecanismo desses sistemas. Essas informações estimulariam o desenvolvimento da teoria, além de orientar o projeto experimental, o que ajudaria os cientistas e engenheiros a descobrir mais novos materiais e componentes quânticos.

O modo Higgs via cruzamento dimensional

Para estudar o micro mecanismo em sistemas quânticos de muitos corpos, os físicos numéricos geralmente apresentam um modelo simples baseado em compreensão teórica e dados experimentais. Então, eles aplicam métodos de simulação numérica para estudar o modelo na região de parâmetros razoáveis. Esse procedimento de pesquisa tem sido usado na investigação do modo de Higgs nos ímãs quânticos, no entanto, sua observação ainda é um desafio devido à sua característica de superamortecimento usual. Do lado da teoria quântica, os cientistas sugeriram dois caminhos. A primeira é através do ponto crítico quântico. Neste caminho, existem vários resultados notáveis, incluindo o sinal do modo Higgs foi observado em C ₉ H ₁₈ N ₂ CuBr ₄ . Mas o segundo caminho, que é através do cruzamento dimensional em direção a 1D, ainda está cheio de espaços em branco e pedindo mais estudos, em parte porque é difícil descobrir um sistema quântico de muitos corpos com redução dimensional. Essa redução dimensional enfraquece a ordem de longo alcance do sistema e, Portanto, inibe o recurso de superamortecimento do modo Higgs. A equipe de pesquisa da Universidade de Hong Kong, a Universidade Sun Yat-Sen, a Universidade de Michigan e a Universidade de Utah conseguiram preencher esses espaços em branco simulando numericamente um modelo de spin quântico cruzado dimensional, cadeias de spin acopladas (ver Gráfico 1).

A equipe de pesquisa criou um modelo de cadeias de spin acopladas, introduzindo a interação entre cadeias. Ao reduzir a força dessas interações intercadeias (mudando o valor de J⊥ na Figura 1 para 0), o modelo mudaria de um sistema 2D para um sistema quase 1D. A equipe de pesquisa usou o método QMC simulando o modelo e desenvolveu um método eficaz para medir as funções de correlação de spin e ligação. Eles não apenas observaram o modo de Higgs por meio de um cruzamento dimensional, mas também encontraram o modo escalar, o que é previsto pela teoria seno-Gordon. Esses resultados tornam as cadeias de spin acopladas um sistema candidato atraente para o estudo teórica e experimental da dinâmica quântica coletiva.

O modo de Higgs e o espectro do modo escalar

Com a ajuda dos supercomputadores Tianhe-II e III, a equipe de pesquisa estudou as cadeias de spin acopladas no limite quase 1D e observou a evolução do espectro do modo Goldstone (Figura 2 (g) e (k)), o modo Higgs (Gráfico 2 (h) e (l)), e o modo escalar (Figura 2 (f) e (j)). A Figura 2 mostra os espectros obtidos a partir das simulações QMC, onde a linha tracejada azul representa a relação de dispersão de acordo com a combinação da teoria do campo médio e o modelo da teoria de sen-Gordon. Como se pode ver na Figura 2, os resultados numéricos se encaixam bem com a previsão da teoria, o que significa que a equipe de pesquisa conseguiu captar o sinal do modo Higgs. Este sinal é muito útil para projetar experimentos correspondentes para observar o modo de Higgs por meio de um cruzamento dimensional, como espalhamento de nêutrons e espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Esses resultados emocionantes também contribuirão para a nossa compreensão do modo de Higgs na redução dimensional.

A fim de descrever o surgimento do modo de Higgs e do modo escalar, a equipe de pesquisa também traçou a dependência da frequência deles (ver Gráfico 3), onde g é um fator que indica quão próximo o modelo está de quase 1D. Quando g =1, as cadeias de spin acopladas estão em um sistema 2D, e com g =0, as cadeias de rotação acopladas estão em um sistema 1D. Ao comparar a dependência da frequência do espectro com diferentes g, pode-se encontrar um pico acentuado emergindo conforme g reduz, o que significa que os sinais do modo Higgs e do modo escalar estão se tornando cada vez mais fortes.

O novo fenômeno da física via cruzamento dimensional

No quadro da física moderna, simetria e dimensão são dois dos fatores mais importantes que determinam as propriedades da física quântica de muitos corpos. E o fenômeno causado pela redução de dimensão é um tópico chave em sistemas magnéticos quânticos. A descoberta da equipe de pesquisa forneceu um modelo atraente e suporte de dados, que nos ajudam a entender o papel essencial que a dimensão desempenha em nosso mundo e estimulam o desenvolvimento de materiais e componentes quânticos de próxima geração.