En metode til at simulere stærkt korrelerede faser af kvantemålingsteorier

Quantum gauge teorier er matematiske konstruktioner, der typisk bruges af fysikere til at beskrive subatomiske partikler, deres tilhørende bølgefelter og interaktionerne mellem dem. Dynamikken skitseret af disse teorier er vanskelig at beregne, alligevel effektivt efterligne dem i laboratoriet kan føre til værdifuld ny indsigt og opdagelser.

I en nylig undersøgelse, et team af forskere ved ETH Zürichs institut for kvanteelektronik implementerede med succes en grundlæggende ingrediens til simulering af kvantemålingsteorier i et laboratorieeksperiment. Deres håb er, at ved at simulere kvantesystemer i et stærkt kontrolleret miljø, de vil indsamle interessante observationer og udvide deres forståelse af mangekropssystemer (dvs. systemer med mange partikler, der interagerer med hinanden).

"Som regel, vores arbejde er inspireret af fænomener i faststoffysik, såsom stærkt korrelerede faser af elektroner i komplekse materialer, "Tilman Esslinger, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I vores nuværende arbejde, imidlertid, vi ønskede at udvide omfanget af vores eksperimentelle platform (dvs. ultrakølede atomer i optiske gitter) for at undersøge et nyt sæt fænomener, der forekommer i fysik med høj energi og kondenseret stof. Målet var at demonstrere, at det er muligt at konstruere målefelter i vores setup, der er dynamiske kvante frihedsgrader på grund af deres kobling til et stoffelt. "

Målerfelter er en vital komponent i flere kvantefeltteorier, herunder kvanteelektrodynamik og kromodynamik. De beskriver en stor klasse af fænomener inden for forskellige fysikområder, såsom elementær partikelfysik, kondenseret fysik og kvanteinformationsteori. Implementering af målefelter i kolde atomopsætninger ville derfor give forskere mulighed for at undersøge nogle af disse fænomener i laboratoriet.

Den tilgang, Esslinger og hans kolleger brugte i deres undersøgelse, er baseret på en teknik kaldet Floquet engineering. Denne metode bruges til at modulere et kvantesystem periodisk over tid, muliggør implementering af nye fysiske modeller under eksperimentet, som ikke er tilgængelige i statiske systemer.

I deres eksperimenter, forskerne afkølede fermioniske kaliumatomer til temperaturer tæt på absolut nul. I dette regime, kvanteeffekter dominerer partiklernes adfærd. Dette gav dem mulighed for at studere disse effekter i et meget kontrollerbart miljø. Efterfølgende, Esslinger og hans kolleger indlæste de afkølede atomer i en kunstig krystal, der består af laserlys, derved simulere specifik adfærd, for eksempel, elektronernes i et faststofmateriale.

"For at konstruere de tæthedsafhængige Peierls-faser, vi brugte en Floquet -tilgang og rystede det optiske gitter i en retning, "Frederik Görg, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette gav os mulighed for at kontrollere den kvantemekaniske tunnelingproces af atomerne mellem gitterets tilgrænsende steder."

Ved at køre systemet på to forskellige frekvenser med en relativ fase, Esslinger og hans kolleger var i stand til at opnå en kompleks-værdsat tunneling, der omfattede en Peierls-fase. Som resultat, atomerne, der blev brugt i deres eksperiment, begyndte at opføre sig som om de blev udsat for et syntetisk målefelt.

"Da rystefrekvenserne er valgt til at være resonante med samspillet mellem partiklerne, Peierls -fasen og derfor det tilhørende målefelt afhænger af atomkonfigurationen i gitteret, "Forklarede Görg." Dette fører til en mekanisme til tilbagevirkning mellem sagen og målefeltet:Atomer vil begynde at bevæge sig på grund af tilstedeværelsen af ​​målefeltet, hvilket igen vil ændre selve målerfeltet. "

I deres undersøgelse, forskerne udviklede et måleskema på et individuelt led i gitteret. Ved hjælp af denne ordning, de målte Peierls -fasen, som atomerne opsamler, når de tunnellerer oven på et andet atom og sammenlignede det med den fase, de opfanger, når de hopper på et tomt sted.

Forskerne observerede, at der var en signifikant forskel mellem disse to faser. Dette tyder på, at målefeltet forbundet med disse Peierls -faser afhænger af besættelsen af ​​gitterstederne - med andre ord, det er tæthedsafhængigt.

"Et sådant stærkt korreleret system bestående af atomer koblet til et dynamisk målefelt er meget svært at tackle med numeriske simuleringer på klassiske computere, "Görg sagde." Vores arbejde er det første skridt mod en eksperimentel kvantesimulering af gittermålingsteorier, som kan kaste nyt lys over dårligt forståede fænomener i kondenseret stof og højenergifysik. "

Den nylige undersøgelse udført af dette team af forskere introducerer en ny alsidig metode til at implementere og simulere forskellige klasser af tæthedsafhængige målefelter. Ultimativt, den teknik, de foreslog, kunne bane vejen for spændende nye fysiske observationer og teorier. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at bruge det til at studere samspillet mellem dynamiske målefelter og atomer i mange kropssystemer implementeret i et udvidet optisk gitter.

"Vi har allerede vist i tidligere arbejde, at vi har en meget god kontrol over drevne mange-kropssystemer, og at vi kan afbøde problemer i forbindelse med interagerende Floquet-systemer som f.eks. Varme, "Sagde Esslinger." Sammen med de tæthedsafhængige Peierls-faser vist i dette papir, vores eksperiment giver en alsidig platform til at simulere og forstå stærkt korrelerede faser af kvantemålingsteorier. "

© 2019 Science X Network