En 2013, François Englert et Peter Higgs ont remporté le prix Nobel de physique pour la découverte théorique d'un mécanisme qui contribue à notre compréhension de l'origine de la masse des particules subatomiques, ce qui a été confirmé par la découverte de la particule fondamentale prédite par les expériences A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) et Compact Muon Solenoid (CMS) au Large Hadron Collider de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en 2012. Le mode Higgs ou le mécanisme Anderson-Higgs (du nom d'un autre lauréat du prix Nobel Philip W Anderson), a une influence considérable sur notre compréhension actuelle de la loi physique de la masse, allant de la physique des particules - l'insaisissable "particule de Dieu" boson de Higgs découvert en 2012 aux phénomènes plus familiers et importants des supraconducteurs et des aimants dans la physique de la matière condensée et la recherche sur les matériaux quantiques.

Le mode Higgs, avec le mode Goldstone, est causée par la rupture spontanée de symétries continues dans les divers systèmes matériels quantiques. Cependant, différent du mode Goldstone, qui a été largement observée via la diffusion de neutrons et les spectroscopies de résonance magnétique nucléaire dans des aimants quantiques ou des supraconducteurs, l'observation du mode de Higgs dans le matériau est beaucoup plus délicate du fait de son suramortissement habituel, qui est également la propriété de son cousin de la physique des particules, l'insaisissable boson de Higgs. Afin d'affaiblir ces amortissements, deux pistes ont été suggérées du côté théorique, à travers (1) les points critiques quantiques et (2) le croisement dimensionnel des dimensions élevées vers les dimensions inférieures. Pour une), les gens ont obtenu plusieurs résultats remarquables, alors qu'il y a peu de succès en (2).

Pour combler ce manque de connaissances, à partir de 2020, Monsieur Chengkang Zhou, puis un doctorat de première année. étudiant, Dr. Zheng Yan et Dr. Zi Yang Meng de la Division de recherche pour la physique et l'astronomie de l'Université de Hong Kong (HKU), conçu un réglage de croisement dimensionnel via des chaînes de rotation couplées. Ils ont appliqué la simulation quantique Monte Carlo (QMC) pour étudier les spectres d'excitation du problème. En faisant équipe avec le Dr Hanqing Wu de l'Université Sun Yat-Sen, Professeur Kai Sun de l'Université du Michigan, et le professeur Oleg A Starykh de l'Université de l'Utah, ils ont observé trois types différents d'excitation collective dans la limite quasi-1D, y compris le mode Goldstone, le mode Higgs et le mode scalaire. En combinant analyses numériques et analytiques, ils ont expliqué avec succès ces excitations, et en particulier, a révélé la présence claire du mode de Higgs dans les systèmes magnétiques quantiques quasi-1D. Tous ces résultats peuvent non seulement aider à trouver les paramètres clés du modèle du matériau, mais révèlent également une image de l'importance de la dimension dans le matériau condensé. Ces résultats de recherche sont publiés dans Lettres d'examen physique .

Fond

Les matériaux quantiques sont ancrés dans notre quotidien, tels que divers composants électroniques, puces informatiques, et panneaux solaires. Avec le développement rapide de la science et de la technologie, la compréhension et la manipulation des interactions quantiques à N corps dans les matériaux jouent un rôle de plus en plus important. Une telle tendance a déjà montré ses premiers signes. Par exemple, les matériaux quantiques moirés 2D, tels que le graphène bicouche torsadé à angle magique, ont attiré beaucoup d'attention et montrent leur nouvelle performance dans la réalisation de la supraconductivité dans les matériaux à base de carbone au lieu des matériaux traditionnels à base de silicium. De plus, informatique quantique, qui est basé sur la théorie de la supraconductivité et même la topologie se développe rapidement pour construire des puces informatiques plus efficaces au-delà de la loi de Moore. Parallèlement à ces efforts, la recherche sur les aimants quantiques est l'un des objets les plus importants, dans lequel la détection du mode Higgs et des modes Goldstone peut révéler les paramètres de modèle sous-jacents du matériau.

Cependant, puisqu'il faut considérer l'interaction de milliards d'électrons, il est difficile de donner une image claire de plusieurs systèmes quantiques à plusieurs corps via la mécanique quantique directement. Par conséquent, méthodes numériques, comme la simulation QMC, sont devenus des technologies utiles pour étudier les systèmes quantiques à plusieurs corps. Ces méthodes numériques peuvent nous fournir des informations utiles et des propriétés des systèmes quantiques à plusieurs corps et montrer le micro-mécanisme de ces systèmes. Cette information stimulerait le développement de la théorie ainsi que guider la conception expérimentale, ce qui aiderait les scientifiques et les ingénieurs à découvrir de nouveaux matériaux et composants quantiques.

Le mode Higgs via crossover dimensionnel

Pour étudier le micromécanisme dans les systèmes quantiques à plusieurs corps, les physiciens numériques proposent généralement un modèle simple basé sur une compréhension théorique et des données expérimentales. Puis, ils appliquent des méthodes de simulation numérique pour étudier le modèle dans une région de paramètres raisonnables. Une telle procédure de recherche a été utilisée dans l'étude du mode de Higgs dans les aimants quantiques, pourtant, son observation est toujours difficile en raison de sa caractéristique de suramortissement habituelle. Du côté de la théorie quantique, les scientifiques ont suggéré deux voies. La première passe par le point critique quantique. Dans ce chemin, il y a plusieurs résultats remarquables, dont le signal du mode de Higgs a été observé en C 9 H 18 N 2 CuBr 4 . Mais le deuxième chemin, qui passe par le croisement dimensionnel vers 1D, est encore plein de blanc et appelle à plus d'étude, en partie parce qu'il est difficile de trouver un système quantique à plusieurs corps avec réduction dimensionnelle. Une telle réduction dimensionnelle affaiblit l'ordre à longue distance du système et, donc, inhibe la fonction de suramortissement du mode Higgs. L'équipe de recherche de l'Université de Hong Kong, l'Université Sun Yat-Sen, l'Université du Michigan et l'Université de l'Utah ont réussi à remplir ces blancs en simulant numériquement un modèle de spin quantique à croisement dimensionnel, chaînes de spin couplées (voir graphique 1).

L'équipe de recherche a proposé un modèle de chaînes de spin couplées en introduisant l'interaction interchaîne. En réduisant la force de ces interactions interchaînes (en changeant la valeur de J⊥ sur la figure 1 vers 0), le modèle passerait d'un système 2D à un système quasi-1D. L'équipe de recherche a utilisé la méthode QMC pour simuler le modèle et a développé une méthode efficace pour mesurer les fonctions de corrélation de spin et de liaison. Ils ont non seulement observé le mode de Higgs via un croisement dimensionnel, mais ont également trouvé le mode scalaire, qui est prédit par la théorie des sinus de Gordon. Ces résultats font des chaînes de spin couplées un système candidat attractif pour l'étude théorique et expérimentale de la dynamique quantique collective.

Le mode de Higgs et le spectre du mode scalaire

Avec l'aide des supercalculateurs Tianhe-II et III, l'équipe de recherche a étudié les chaînes de spin couplées dans la limite quasi-1D et observé l'évolution du spectre du mode de Goldstone (Figure 2 (g) et (k)), le mode de Higgs (Graphique 2 (h) et (l)), et le mode scalaire (Figure 2 (f) et (j)). La figure 2 montre les spectres obtenus à partir des simulations QMC, où la ligne pointillée bleue représente la relation de dispersion selon la combinaison de la théorie du champ moyen et du modèle de la théorie sin-Gordon. Comme on peut le voir sur la figure 2, les résultats numériques correspondent bien à la prédiction de la théorie, ce qui signifie que l'équipe de recherche a réussi à capter le signal du mode Higgs. Ce signal est très utile pour concevoir des expériences correspondantes pour observer le mode de Higgs via un croisement dimensionnel, comme la diffusion de neutrons et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Ces résultats passionnants contribueront également à notre compréhension du mode de Higgs dans la réduction dimensionnelle.

Afin de décrire l'émergence du mode de Higgs et du mode scalaire, l'équipe de recherche a également tracé leur dépendance fréquentielle (voir graphique 3), où g est un facteur indiquant à quel point le modèle est proche du quasi-1D. Lorsque g=1, les chaînes de spin couplées sont dans un système 2D, et avec g=0, les chaînes de spin couplées sont dans un système 1D. En comparant la dépendance en fréquence du spectre avec différents g, on peut trouver un pic aigu émergeant lorsque g diminue, ce qui signifie que les signaux du mode Higgs et du mode scalaire deviennent de plus en plus forts.

Le nouveau phénomène physique via le croisement dimensionnel

Dans le cadre de la physique moderne, la symétrie et la dimension sont deux des facteurs les plus importants qui déterminent les propriétés de la physique quantique à N corps. Et le phénomène causé par la réduction de dimension est un sujet clé dans les systèmes magnétiques quantiques. La conclusion de l'équipe de recherche a fourni un modèle attrayant et un support de données, qui nous aident à comprendre le rôle essentiel que joue la dimension dans notre monde et stimulent le développement du matériau et des composants quantiques de nouvelle génération.