Mod et orrery for kvantemålteori

Fysikere ved ETH Zürich har udviklet en ny tilgang til at koble kvantiserede målefelter til ultrakoldt stof. Metoden kan være grundlaget for en alsidig platform til at tackle problemer lige fra kondenseret stof til højenergifysik.

Samspillet mellem felter og stof er et gennemgående tema gennem fysikken. Klassiske tilfælde, såsom banerne for et himmellegeme, der bevæger sig i andres gravitationsfelt eller bevægelsen af ​​en elektron i et magnetfelt, er ekstremt godt forstået, og forudsigelser kan laves med forbløffende nøjagtighed. Imidlertid, når kvantekarakteren af ​​de involverede partikler og felter eksplicit skal indregnes, så bliver situationen hurtigt kompleks. Og hvis, ud over, feltet afhænger af tilstanden af ​​de partikler, der udvikler sig i det, så kan beregninger flytte sig uden for rækkevidde selv for nutidens mest kraftfulde computere.

Begrænsningerne ved at udforske regimer af dynamisk interaktion mellem felter og stof hindrer fremskridt på områder lige fra kondenseret stoffysik til højenergifysik. Men der er en alternativ tilgang:I stedet for at beregne dynamikken, simulere dem. Berømt, for planetsystemer, mekaniske modeller kendt som orreries blev bygget længe før digitale computere blev udviklet. I de seneste år, forskere har udviklet såkaldte kvantesimulatorer, hvor den ukendte dynamik i et kvantesystem emuleres ved hjælp af et andet, mere kontrollerbar. Som de rapporterer i dag i bladet Naturfysik , Frederik Görg og kolleger i gruppen af ​​Tilman Esslinger i Institut for Fysik i ETH Zürich har nu gjort betydelige fremskridt i retning af kvantesimulatorer, der kan bruges til at tackle generelle klasser af problemer, hvor dynamikken i stof og felter er koblet sammen.

Svært at måle resultater

Görg et al. så ikke direkte på gravitations- eller elektromagnetiske felter, men ved såkaldte målefelter. Disse er hjælpefelter, der typisk ikke er direkte observerbare i eksperimenter, men så meget desto mere kraftfuld som en konsekvent ramme for den matematiske behandling af vekselvirkningerne mellem partikler og felter. Som et centralt begreb i fysik, målefelter tilbyder en unik vej til at forstå kræfter - den elektromagnetiske kraft såvel som dem, der holder subatomære partikler sammen. Følgelig, der er stor interesse for kvantesimuleringer af målefelter, som kunne give frisk indsigt i situationer, som i øjeblikket ikke kan udforskes i beregninger eller computersimuleringer.

En af de aktuelt førende platforme til simulering af komplekse kvantesystemer er baseret på atomer, der er afkølet til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt og fanget i gitterstrukturer skabt af laserlys. Et stort fremskridt i de senere år har været erkendelsen af, at atomerne kan bruges til at efterligne elektronernes adfærd i et magnetfelt, også selvom atomerne ikke har nogen elektrisk ladning. Nøglen til at opnå dette er brugen af ​​eksterne kontrolparametre til at styre kvantetunnelprocessen, hvorved atomerne bevæger sig mellem tilstødende steder i det optiske gitter. Ved passende at skræddersy den komplekse fase, som kvantepartiklerne opfanger i en tunnelbegivenhed - kendt som Peierls-fasen - kan de neutrale atomer fås til at opføre sig præcis som ladede partikler, der bevæger sig i et magnetfelt. Den konstruerede dynamik i disse syntetiske sporviddefelter kan sammenlignes med den i klassiske orrerier, hvor modelplaneterne bevæger sig, som om de var udsat for en betydelig tyngdekraft fra et centralt legeme, efterligne virkelige planeters adfærd.

Ryster op i feltet

Esslinger-gruppen og andre har tidligere brugt ultrakoldt-atom-platformen til at skabe kunstige målefelter som følge af komplekse tunnelfaser. Men indtil videre, disse konstruerede felter var i sig selv klassiske, og omfattede ikke tilbagevirkning fra atomerne til målefeltet. Derfor er spændingen, da Görg og hans medarbejdere nu præsenterer en fleksibel måde at opnå kobling mellem atomer og målefelter på. De foreslår - og implementerede - en procedure til at gøre Peierls-fasen afhængig af, hvordan atomerne er fordelt i gitteret. Når fordelingen ændres som følge af interaktionen med målefeltet, selve målefeltet er ændret. Dette er, som om orreriet ville accelerere eller bremse afhængigt af planetkonstellationen (som ikke er nødvendig for at modellere simpel himmelmekanik, da samspillet mellem planeter negligeres). I tilfælde af en kvantesimulator til kvantemålefelter, imidlertid, interaktionen mellem partiklerne er en væsentlig ingrediens.

I de nu rapporterede forsøg, ETH-fysikerne skabte et optisk gitter, der består af 'dimerer, " hver lavet af to nabosteder, hvor fermioniske atomer kan opholde sig enten individuelt eller i par (se figuren). Tunneleringen mellem dimerens steder styres ved at ryste gitteret ved to forskellige frekvenser med en piezoelektrisk aktuator. Frekvenserne og faser af moduleringen er valgt sådan, at Peierls-fasen mellem steder afhænger af, om et atom deler sit dimer-sted med et andet atom i det modsatte spin eller ej (se animationen).

Generelt betyder noget

Skridtet til tekniske målefelter, der er koblet til ultrakoldt stof, er et vigtigt skridt. Ultrakolde atomer i optiske gitter er allerede etableret som en alsidig platform for kvantesimuleringer, herunder emulering af komplekse elektroniske fænomener, der forekommer i faststofmaterialer. Det nuværende arbejde af Görg et al., sammen med relaterede nylige fremskridt fra andre grupper, lover, at der i en ikke alt for fjern fremtid også kan tackles mere komplekse kvantemålefelter, især dem, der optræder i højenergifysik og udfordrer de nuværende klassiske simuleringstilgange.

En tydelig styrke ved tilgangen af ​​Görg et al. er, at den kan bruges til at konstruere en række forskellige kvantiserede målefelter, ud over det specifikke scenarie, de udforskede eksperimentelt i det netop offentliggjorte papir, som de viser ud fra teoretiske overvejelser. Og da værket også demonstrerer udsøgt eksperimentel kontrol over et meget afstembart atomart mange-legeme-system, der er nu den klare og spændende udsigt til et moderne orrery, der ikke giver indsigt i bevægelser på himlen, men dybt ind i kvanteverdenen.