Eksotisk fysikfænomen observeres for første gang

Et eksotisk fysisk fænomen, involverer optiske bølger, syntetiske magnetfelter, og tilbageførsel af tid, er blevet observeret direkte for første gang, efter årtiers forsøg. Det nye fund kan føre til erkendelser af de såkaldte topologiske faser, og til sidst til fremskridt mod fejltolerante kvantecomputere, siger forskerne.

Det nye fund involverer den ikke-abelske Aharonov-Bohm-effekt og rapporteres i dag i tidsskriftet Videnskab af MIT -kandidatstuderende Yi Yang, MIT -besøgsforsker Chao Peng (professor ved Peking University), MIT -kandidatstuderende Di Zhu, Professor Hrvoje Buljan ved universitetet i Zagreb i Kroatien, Francis Wright Davis Professor i fysik John Joannopoulos ved MIT, Professor Bo Zhen ved University of Pennsylvania, og MIT -professor i fysik Marin Soljacic.

Fundet vedrører målefelter, som beskriver transformationer, som partikler gennemgår. Målerfelter falder i to klasser, kendt som abelsk og ikke-abelsk. Aharonov-Bohm-effekten, opkaldt efter teoretikerne, der forudsagde det i 1959, bekræftet, at målerfelter - udover at være et rent matematisk hjælpemiddel - har fysiske konsekvenser.

Men observationerne virkede kun i abelske systemer, eller dem, hvor målefelter er kommutative - det vil sige de foregår på samme måde både frem og tilbage i tiden. I 1975, Tai-Tsun Wu og Chen-Ning Yang generaliserede effekten til det ikke-abelske regime som et tankeeksperiment. Alligevel, det forblev uklart, om det overhovedet ville være muligt at nogensinde observere virkningen i et ikke-abelsk system. Fysikere manglede måder at skabe effekten i laboratoriet, og manglede også måder at påvise effekten, selvom den kunne produceres. Nu, begge disse gåder er blevet løst, og observationer udført med succes.

Effekten har at gøre med et af de mærkelige og kontraintuitive aspekter ved moderne fysik, det faktum, at stort set alle grundlæggende fysiske fænomener er tidsinvariante. Det betyder, at detaljerne i måden partikler og kræfter interagerer på kan løbe fremad eller bagud i tiden, og en film om, hvordan begivenhederne udspiller sig, kan køres i begge retninger, så der er ingen måde at fortælle, hvilken der er den rigtige version. Men et par eksotiske fænomener krænker denne tids symmetri.

Oprettelse af den abelske version af Aharonov-Bohm-effekterne kræver afbrydelse af tidsomvendt symmetri, en udfordrende opgave i sig selv Siger Soljacic. Men for at opnå den ikke-abelske version af effekten kræver, at denne tidsomvendelse brydes flere gange, og på forskellige måder, gør det til en endnu større udfordring.

For at producere effekten, forskerne bruger fotonpolarisering. Derefter, de producerede to forskellige former for tid-vending bryde. De brugte fiberoptik til at producere to typer målefelter, der påvirkede de geometriske faser af de optiske bølger, først ved at sende dem gennem en krystal forudindtaget af kraftfulde magnetfelter, og for det andet ved at modulere dem med tidsvarierende elektriske signaler, som begge bryder tidsomvendt symmetri. De var derefter i stand til at producere interferensmønstre, der afslørede forskellene i, hvordan lyset blev påvirket, når det blev sendt gennem det fiberoptiske system i modsatte retninger, med eller mod uret. Uden afbrydelse af tidsomvendt uoverensstemmelse, bjælkerne skulle have været identiske, men i stedet, deres interferensmønstre afslørede specifikke sæt forskelle som forudsagt, demonstrere detaljerne i den undvigende effekt.

Den oprindelige, Abelsk version af Aharonov-Bohm-effekten "er blevet observeret med en række eksperimentelle bestræbelser, men den ikke-abelske effekt er ikke blevet observeret før nu, "Yang siger. Fundet" giver os mulighed for at gøre mange ting, " han siger, åbner døren for en lang række potentielle eksperimenter, herunder klassiske og kvantefysiske regimer, at undersøge variationer af effekten.

Den eksperimentelle tilgang, som dette team har udtænkt "kan inspirere til realiseringen af ​​eksotiske topologiske faser i kvantesimuleringer ved hjælp af fotoner, polaritoner, kvantegasser, og superledende qubits, "Siger Soljacic. For selve fotonikken, dette kan være nyttigt i en række forskellige optoelektroniske applikationer, han siger. Ud over, de ikke-abelske målerfelter, som gruppen var i stand til at syntetisere, frembragte en ikke-abelsk bærfase, og "kombineret med interaktioner, det kan muligvis en dag tjene som en platform for fejltolerante topologiske kvanteberegninger, " han siger.

På dette tidspunkt, eksperimentet er primært af interesse for grundlæggende fysikforskning, med det formål at få en bedre forståelse af nogle grundlæggende underlag for moderne fysisk teori. De mange mulige praktiske anvendelser "vil kræve yderligere gennembrud fremover, "Siger Soljacic.

For én ting, til kvanteberegning, eksperimentet skulle skaleres op fra en enkelt enhed til sandsynligvis et helt gitter af dem. Og i stedet for laserstrålerne, der blev brugt i deres eksperiment, det ville kræve at arbejde med en kilde til enkelte individuelle fotoner. Men selv i sin nuværende form, systemet kunne bruges til at undersøge spørgsmål inden for topologisk fysik, som er et meget aktivt område af aktuel forskning, Siger Soljacic.