Спиновые нематики и холодные атомы помогут в изучении гравитационных волн

Японские физики показали теоретически, что спиновые нематические фазы, возникающие в магнитах и холодных атомах, могут служить моделью для изучения гравитации. В частности, ученые показали, что голдстоуновские моды в этих системах — безмассовые бозоны со спином два — соответствуют квантованным гравитационным волнам в плоском пространстве-времени. Статья об этом исследовании опубликована в журнале Physical Review B.

Гравитационные волны сложно изучать в эксперименте из-за требуемой колоссальной энергии для их создания и их малой амплитуды. Поэтому ученые ищут аналоги в конденсированных средах, которые можно было бы использовать для моделирования поведения гравитационных волн. Тем не менее остается открытым вопрос об определении экспериментально жизнеспособной платформы, которая обеспечивала бы доступ к безмассовым бозонам со спином два во взаимно-однозначном соответствии с гравитационными волнами в плоском пространстве-времени. Более подробно о гравитационных волнах и методах их изучения читайте в нашем материале «На гребне метрического тензора».

Группа физиков под руководством Ника Шеннона (Nic Shannon) из Окинавского института науки и технологий показала, что голдстоуновские моды спиновых нематиков — жидких кристаллов, обнаруженных в изолирующих магнитах и в массивах холодных атомов, — ведут себя как точные аналоги квантованных гравитационных волн. Ученые показали математически, что голдстоуновские моды спин-нематического состояния можно визуализировать через поверхности одинакового искажения спин-нематического параметра порядка точно так же, как и гравитационные волны, через поверхности постоянной деформации.

На основе проведенного анализа физики выяснили, что квадрупольные волны в квантовом спиновом нематике находятся во взаимно-однозначном соответствии с квантованными гравитационными волнами — гравитонами — в плоском четырехмерном пространстве-времени. Однако, по словам ученых, существует критическое различие относительно пространств, в которых возникают эти волны, что имеет важные последствия для их реализации в эксперименте. Гравитационные волны могут существовать только как минимум в трех пространственных измерениях. В отличие от них, квадрупольные волны в спиновых нематиках возникают в спиновом пространстве, которое автоматически трехмерное, независимо от числа пространственных измерений. По этой причине, как отмечают физики, можно исследовать аналоги гравитационных волн в двухмерных спиновых системах.

На основе своей теоретической работы и компьютерного моделирования физики предложили процедуру наблюдения аналогов гравитационных волн в спинорном конденсате атомов натрия 23.

Ученые ищут системы, в которых можно было бы изучать аналоги гравитационных волн и их свойства. При этом сами гравитационные волны уже предложили использовать как инструмент для обнаружения сбоя в работе варп-двигателей.