Realtidsobservation af kollektive kvantetilstande

En cylindrisk stang er rotationssymmetrisk - efter enhver vilkårlig rotation omkring sin akse ser den altid ens ud. Hvis der påføres en stadig større kraft i længderetningen, imidlertid, det vil til sidst spænde og miste sin rotationssymmetri. Sådanne processer, kendt som "spontan symmetribrud", også forekomme på subtile måder i den mikroskopiske kvanteverden, hvor de er ansvarlige for en række fundamentale fænomener som magnetisme og superledning. Et team af forskere ledet af ETH-professor Tilman Esslinger og seniorforsker Tobias Donner ved Institute for Quantum Electronics har nu undersøgt konsekvenserne af spontan symmetribrud i detaljer ved hjælp af en kvantesimulator. Resultaterne af deres forskning er for nylig blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Videnskab .

Faseovergange forårsaget af symmetribrud

I deres nye arbejde, Esslinger og hans samarbejdspartnere interesserede sig særligt for faseovergange - fysiske processer, det er, hvor et materiales egenskaber ændrer sig drastisk, såsom overgangen af ​​et materiale fra fast stof til væske eller spontan magnetisering af et fast stof. I en bestemt type faseovergang, der er forårsaget af spontant symmetribrud, såkaldte Higgs- og Goldstone-tilstande vises. Disse tilstande beskriver, hvordan partiklerne i et materiale reagerer kollektivt på en forstyrrelse udefra. "Sådanne kollektive excitationer er kun blevet opdaget indirekte indtil videre, " forklarer Julian Léonard, som opnåede sin doktorgrad i Esslingers laboratorium arbejder nu som post-doc ved Harvard University, "men nu er det lykkedes os direkte at observere karakteren af ​​disse tilstande, som er dikteret af symmetri."

Sombrero i kvantesimulatoren

Til det formål, fysikerne byggede en kvantesimulator - et laboratoriesystem, det er, hvor kvantefænomener kan studeres i deres reneste form og under kontrollerede forhold. Kvantesimulatoren, som ETH-forskerne bruger, består af ekstremt kolde rubidium-atomer, der udsættes for flere lysbølger. Brug af to optiske resonatorer, der skabes en kobling mellem atomerne og lysbølgerne, der får formen af ​​rubidium-atomernes potentielle energi til at ligne en rotationssymmetrisk salatskål. Koordinaterne for energioverfladen svarer til intensiteten af ​​lyset i de to resonatorer. En laserstråle, der danner et såkaldt optisk gitter, kan så bruges til at ændre denne salatskållignende overflade på en sådan måde, at over en kritisk styrke af laserstrålen, den begynder at ligne en mexicansk sombrero med en bule i midten.

Under disse omstændigheder, meget ligesom i tilfældet med den cylindriske stang, spontant symmetribrud opstår:ligesom stangen pludselig bukkede i en tilfældig rumlig retning, atomerne i Esslingers eksperiment, som startede i midten af ​​salatskålen, nu leder alle sammen efter et nyt energiminimum. Det minimum kan ligge hvor som helst langs sombreroens rille, da hvert punkt langs rillen har den samme energi. Det betyder også, imidlertid, at (energimæssigt set) kan atomerne flyttes kollektivt langs rillen uden nogen energitilførsel - det svarer til den såkaldte Goldstone-tilstand. Derimod hvis man ønsker at skubbe dem radialt, væk fra midten af ​​sombreroen eller hen imod den, man skal levere den nødvendige energi til denne Higgs-tilstand. Igen, dette kan sammenlignes med en spændt stang, som er let at dreje, men svær at bøje yderligere.

Måletilstande i realtid

"Normalt, Goldstone- og Higgs-tilstande detekteres indirekte via denne energi", siger Andrea Morales, en ph.d.-studerende og medlem af forskerteamet, "men vi har nu været i stand til at studere i realtid, hvordan disse tilstande opfører sig, når systemet er forstyrret". For at gøre det, forskerne sendte en kort laserimpuls ind i en af ​​de optiske resonatorer og målte derefter lysintensiteten i begge resonatorer som en funktion af tiden. Dette gjorde det muligt for dem at beregne positionen af ​​atomerne inde i energisombreroen. Som forventet, efter spændende en Goldstone-tilstand, kun vinkelkoordinaten langs rillen ændrede sig, hvorimod det i Higgs-tilstanden var den radiale position, der varierede.

For Tilman Esslinger, denne direkte observation af et vigtigt og udbredt mange-legeme-fænomen - som hidtil kun kunne observeres indirekte - repræsenterer en af ​​de væsentlige styrker ved kvantesimulatoren:"I disse syntetiske kvantesystemer har vi en ret ideel erkendelse af, hvad der sker i naturen - i faste stoffer og også i enkelte molekyler. Den direkte observation af dynamikken i Goldstone- og Higgs-tilstandene i kvantesimulatoren uddyber vores forståelse af, hvad der sker i sådanne naturlige systemer."