Исследователи из Института ядерной физики Общества Макса Планка представили новые экспериментальные и теоретические результаты по измерению g-фактора связанного электрона в оловоподобном литии, который имеет гораздо больший ядерный заряд, чем в любых предыдущих измерениях. Статья [опубликована](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn5981) в журнале Science.
Экспериментальная точность
Экспериментальная точность достигла уровня 0,5 частей на миллиард. Используя усовершенствованный межэлектронный метод квантовой электродинамики (QED), теоретическое предсказание для g-фактора достигло точности в 6 частей на миллиард.
Квантовая электродинамика
Квантовая электродинамика (QED) — фундаментальная теория, описывающая все электромагнитные явления, включая свет (фотоны). Она является наиболее точно проверенной теорией в физике.
Взаимодействие электронов
QED понимает электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами как обмен «виртуальными» фотонами — способ, которым электроны в атоме «общаются» друг с другом и с ядром, а также с самими собой через излучение и поглощение фотона. Это называется «собственной энергией» в QED.
Виртуальные частицы
Оказалось, что физический вакуум не пуст, а заполнен виртуальными частицами, такими как электрон-позитронные пары, которые появляются всё время «из ничего», но должны исчезать в пределах, установленных принципом неопределённости квантовой физики.
g-фактор электрона
Современным доступом к явлениям QED является так называемый g-фактор электрона, который описывает отношение его механических (внутренний угловой момент: спин) и магнитных свойств. Согласно теории Дирака (релятивистская квантовая механика), g-фактор свободного электрона должен быть ровно 2.
Однако различные QED-взаимодействия изменяют g-фактор и приводят к небольшому, но точно измеримому отклонению от значения 2. QED-эффекты сильно нелинейно зависят от внешних полей.
Экспериментальное измерение g-фактора
Измерение g-фактора связанного электрона было выполнено с использованием криогенной ловушки Пеннинга ALPHATRAP в MPIK. Сильное магнитное поле внутри ловушки приводит к характерному движению иона, ограниченного полем, а также к прецессии спина внешнего электрона, подобно крошечному магнитному волчку.
Результаты
Экспериментальное значение для g-фактора иона оловоподобного лития составляет:
$g{exp} = 1.980 354 799 750(84){stat}(54){sys}(944){ext}$
с учётом статистической, систематической и внешней неопределённости.
Будущие перспективы
В будущем измерения более тяжёлых литиеподобных систем, таких как $^{208}$Pb$^{79+}$, и ожидаемый прогресс в двухпетлевых QED-расчётах обеспечат ещё более точные тесты в режиме сильного электрического поля с использованием высокозаряженных ионов.
Открытие нового инструмента для поиска материалов для квантовых вычислений
Учёные из Университетского колледжа Корка (UCC) в Ирландии разработали мощный новый инструмент для поиска материалов, необходимых для крупномасштабных, отказоустойчивых квантовых вычислений.
Значимый прорыв
Значимый прорыв означает, что впервые исследователи нашли способ определить, можно ли использовать материал в определённых микросхемах для квантовых вычислений.
Основные выводы были [опубликованы](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk7219) в Science и являются результатом крупного международного сотрудничества, которое включает ведущую теоретическую работу профессора Дун-Хая Ли из Калифорнийского университета в Беркли и синтез материалов профессоров Шэн Ран и Джонпьер Паглионе из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Мэриленда соответственно.
Топологический сверхпроводник
Топологический сверхпроводник — уникальный материал, который на своей поверхности содержит новые квантовые частицы, названные майорановскими фермионами. В теории они могут быть использованы для стабильного хранения квантовой информации без помех от шума и беспорядка, которые мешают современным квантовым компьютерам.
Эксперименты с UTe₂
Используя сканирующий туннельный микроскоп (STM), работающий в новом режиме, изобретённом Симусом Дэвисом, профессором квантовой физики в UCC, команда под руководством Джо Кэролла, доктора философии в группе Дэвиса, и Куаныша Жусупбекова, научного сотрудника Мари Кюри, смогла окончательно определить, является ли UTe₂ подходящим топологическим сверхпроводником.
Эксперименты, проведённые с использованием «андреевского» STM, обнаружили, что UTe₂ действительно является топологическим сверхпроводником, но не совсем того типа, который искали физики.
Однако эксперимент первого в своём роде сам по себе является прорывом.