En bro til kvanteverdenen

Monika Aidelsburger bruger en speciel type optisk gitter til at simulere kvante mange-kropsfænomener, der ellers er utilgængelige for eksperimentel udforskning. Hun er nu blevet tildelt et ERC Starttilskud for at fortsætte dette arbejde.

I løbet af det sidste årti, forskere ledet af professor Immanuel Bloch, der har en stol i eksperimentel fysik på LMU, har udviklet flere teknikker og strategier til at undersøge kvanteverdenens hemmeligheder. Der er gjort store fremskridt, men mange fænomener af interesse forbliver uudforskede, og teoretiske skemaer er ofte svære at teste. Blochs team er primært interesseret i kvanteinteraktioner, der kan modelleres ved hjælp af ultrakølede gasser, der er fanget i optiske gitter dannet af laserstråler. Dr. Monika Aidelsburger, leder af en forskningsgruppe i Blochs afdeling, er nu blevet tildelt en yderst begavet starttilskud af Det Europæiske Forskningsråd (ERC) til at udvide denne arbejdslinje. Hendes mål er at bruge ultrakølede ytterbiumatomer fanget i optiske gitter til at simulere modeller for kvanteadfærd i kondenseret stof på en skala, der er tre størrelsesordener større end i virkelige faste stoffer.

Ja, Aidelsburger, som også er en del af Max Planck Institute for Quantum Optics, håber at tage denne strategi videre, og bruge den til at simulere 'gittermålingsteorier', som beskriver fundamentale vekselvirkninger mellem partikler i form af 'målefelter'. I disse modeller, stoffelter (stofpartikler) er afbildet som punkter på et fiktivt gitter, og kraftfelterne, der virker på dem, repræsenteres af forbindelserne mellem disse knuder. Gittermålingsteorier er af grundlæggende betydning i mange grene af kvantefysikken. Ikke alene danner de grundlaget for standardmodellen for partikelfysik, de kan også anvendes på den fysik, der ligger til grund for adfærden hos stærkt interagerende elektroner i faste stoffer, og kan redegøre for vigtige fænomener inden for kvanteelektrodynamik. Derfor, Aidelsburgers eksperimentelle tilgang til simulering af gittermålingsteorier i optiske gitter ville give en forbindelse mellem klassisk og kvantefysik, og tillade analoge simuleringer af fænomener observeret i andre indstillinger end solid-state fysik. Aidelsburger's forskning har hidtil fokuseret på at simulere virkningerne af magnetfelter. "Dette skyldes, at magnetfelter også kan beskrives med målefelter, "forklarer hun. Fysikere håber at kunne udvide disse ideer og anvende dem på andre kvante-mange-kropsfænomener, der stort set ikke har været tilgængelige.

To stater med lang levetid

Den eksperimentelle platform er i øjeblikket ved at blive designet, og snart vil de optiske borde i Aidelsburger laboratorium være forsynet med omhyggeligt placerede linser og spejle, lasere og optiske fibre. Kontrollerede manipulationer af ultrakølede atomer i optiske gitter er allerede blevet anvendt med succes til at sonde og simulere kvantefænomener, der er blevet observeret i systemer med kondensat. Disse forsøg blev udført under forhold, hvor atomerne kan 'tunnel' mellem gittersteder, selvom deres kollektive bevægelser påvirkes af gitterenes globale parametre. Udvidelse af strategien til gittermålingsteorier vil kræve stedsspecifik kontrol over atomernes bevægelser i gitteret.

Det er ekstremt krævende at oprette et sådant eksperiment, fordi de symmetrier, der er iboende for at måle teorier, skal gengives præcist. "En vellykket implementering kræver brug af helt nye tilgange, "siger Aidelsburger." Dette medfører en høj risiko, men at have en fungerende kvantesimulator af en sådan model ville udgøre et enormt fremskridt. "Blochs team har lært meget om, hvordan man kun holder kvantegasser ved temperaturer en smidgen over absolut nul, generere og manipulere optiske gitter og kontrollere bevægelser af atomer i forskellige elementer såsom rubidium, natrium og lithium, for blot at nævne nogle få. Aidelsburger's eksperimenter vil bruge yterrbium (Yb) atomer, fordi de udviser to langlivede kvantetilstande, hvilket gør dem særligt nyttige til de planlagte simuleringer. Stærkt fokuserede laserstråler vil blive anvendt til sted-specifikt at kontrollere atomernes bevægelser i gitteret. I simuleringen, de to atomtilstande vil spille både stofpartiklernes roller og partiklerne, der formidler de kræfter, der virker på dem.

Det er teknisk muligt at koble bevægelsen mellem de to langlivede tilstande af Yb-atomer i gitteret. "Denne lokale kobling giver os for første gang mulighed for eksperimentelt at repræsentere de grundlæggende byggesten i simple gittermålingsteorier i en eksperimentel indstilling, "siger Aidelsburger. Desuden er teknikken kan ligefrem udvides til større gitterstrukturer og højere dimensioner. Dette ville give forskere mulighed for at simulere gittermålingsteorier, der spiller en vigtig rolle i både kondenseret fysik og kvanteelektrodynamik ved hjælp af bearbejdelige eksperimentelle procedurer. Det ville være en virkelig banebrydende præstation. "Vores strategi åbner helt nye eksperimentelle muligheder for at udforske bestemte fænomener og udvikle ideer til nye teorier, ”siger Aidelsburger.

De fine justeringer

Udsigten til at være i stand til at arbejde de næste par år i Immanuel Blochs afdeling som fastansatsprofessor var en af ​​grundene til, at hun besluttede at vende tilbage til München efter sin magi som postdoc ved Collège de France i Paris. "Unge forskere har brug for sådanne langsigtede perspektiver, " hun siger, "især hvis de ønsker at udføre en så kompleks og krævende eksperimentel opgave." Design og konstruktion af et nyt system kan tage op til tre år. Man begynder med enkle modeller, og spørger, om deres simulering giver resultater, der stemmer overens med dem, der opnås med teori, eller er kompatible med forudsigelser afledt af veletablerede numeriske metoder, såsom Monte Carlo -simuleringer. Disse test fungerer som en kalibreringsskala for eksperimenter - og giver forskere mulighed for at justere forholdene hensigtsmæssigt og gradvist øge kompleksiteten af ​​eksperimenterne. Ud over, de eksperimentelle systemer skal konstant kontrolleres for at sikre, at de giver en korrekt beskrivelse af de fænomener, de har sat sig for at beskrive. "Det er her tæt samarbejde med teoretikere på andre områder er særlig vigtigt, "siger Aidelsburger." De involverede risici er betydelige, da dette stort set er ukendt territorium for os alle. Vi er nødt til at bringe meget forskellige fysikområder sammen. Det er mit inderlige håb, at de indledende eksperimenter med enkle modeller vil give resultater, der finder et ekko i forskellige discipliner. "

I de enkleste modeller, Yb -atomerne kan vedtage en af ​​to definerede tilstande, grundtilstanden og en enkelt metastabil ophidset tilstand. Målet er gradvist at tilføje yderligere tilstande til systemet, gør det muligt at implementere mere komplekse interaktioner. Dette ville være et vigtigt skridt mod det ultimative mål om at bruge ultrakølede atomer til at simulere den stærke atomkraft - samspillet mellem kvarker (atomkernenes grundbestanddele) og gluoner (kraftpartiklerne, der holder atomkerner sammen). Sidstnævnte opgave vil kræve implementering af langt mere komplekse gittermålingsteorier.

Individuelle celler i todimensionale optiske gitter bestående af 100 × 100 atomer kan nu adresseres og deres besættelse kontrolleres, gør det muligt at observere dynamiske effekter i detaljer. Dermed, det er muligt at afgøre, om en bestemt gittercelle er optaget under særlige forhold, og tilstanden af ​​hvert atom i gitteret kan sonderes praktisk talt i realtid. Med disse præstationer under deres bælter, fysikere er godt i gang med at realisere ideen om en kvantesimulator, som den berømte amerikanske fysiker Richard Feynman formulerede i 1980'erne. "Vi håber, at vores setup vil bane vejen til eksperimentelt at undersøge grundlæggende spørgsmål inden for kvantekromodynamik, "siger Aidelsburger - inden han tilføjer en eftertrykkelig kvalifikation:" Men vi er stadig i begyndelsen. "