Ultrakolde atomer klædt af lys simulerer gauge-teorier

Vores moderne forståelse af den fysiske verden er baseret på gauge-teorier:matematiske modeller fra teoretisk fysik, der beskriver vekselvirkningerne mellem elementarpartikler (såsom elektroner eller kvarker) og forklarer kvantemekanisk tre af naturens grundlæggende kræfter:den elektromagnetiske, svage og stærke kræfter. Den fjerde fundamentale kraft, tyngdekraften, er beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori, som, selvom den endnu ikke er forstået i kvanteregimet, også er en måleteori. Gauge-teorier kan også bruges til at forklare elektronernes eksotiske kvanteadfærd i visse materialer eller de fejlkorrektionskoder, som fremtidige kvantecomputere skal bruge for at fungere pålideligt, og er arbejdshesten i moderne fysik.

For bedre at forstå disse teorier er en mulighed at realisere dem ved hjælp af kunstige og meget kontrollerbare kvantesystemer. Denne strategi kaldes kvantesimulering og udgør en særlig type kvanteberegning. Det blev første gang foreslået af fysikeren Richard Feynman i 80'erne, mere end femten år efter at han blev tildelt Nobelprisen i fysik for sit banebrydende teoretiske arbejde med gauge-teorier.

Kvantesimulering kan ses som et kvante-LEGO-spil, hvor eksperimentelle fysikere giver virkelighed til abstrakte teoretiske modeller. De bygger dem i laboratoriet "kvantesten for kvantesten", ved hjælp af meget velkontrollerede kvantesystemer såsom ultrakolde atomer eller ioner. Efter at have samlet én kvante LEGO-prototype til en bestemt model, kan forskerne måle dens egenskaber meget præcist i laboratoriet og bruge deres resultater til bedre at forstå den teori, den efterligner. I løbet af det sidste årti er kvantesimulering blevet intensivt udnyttet til at undersøge kvantematerialer. Men det er grundlæggende mere udfordrende at spille LEGO-kvantespillet med gauge-teorier. Indtil nu har kun den elektromagnetiske kraft kunne undersøges på denne måde.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nature , ICFO's eksperimentelle forskere Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri og Cesar Cabrera, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Leticia Tarruell, i samarbejde med Alessio Celi, en teoretisk forsker fra talentprogrammet ved det autonome universitet i Barcelona, var i stand til at simulere en anden måleteori end elektromagnetisme for første gang ved hjælp af ultrakolde atomer.

En måleteori for meget tunge fotoner

Holdet satte sig for i laboratoriet at realisere en gauge-teori, der tilhører klassen af ​​topologiske gauge-teorier, forskellig fra klassen af ​​dynamiske gauge-teorier, som elektromagnetisme tilhører.

I gauge-teorisproget opstår den elektromagnetiske kraft mellem to elektroner, når de udveksler en foton:en partikel af lys, der kan forplante sig, selv når stof er fraværende. Men i todimensionelle kvantematerialer, der er udsat for meget stærke magnetfelter, opfører de fotoner, der udveksles af elektronerne, sig, som om de var ekstremt tunge og kan kun bevæge sig, så længe de er knyttet til stof.

Som et resultat har elektronerne meget ejendommelige egenskaber:de kan kun strømme gennem materialets kanter i en retning, der er indstillet af magnetfeltets orientering, og deres ladning bliver tilsyneladende fraktioneret. Denne adfærd er kendt som den fraktionelle kvante Hall-effekt og er beskrevet af Chern-Simons gauge-teorien (opkaldt efter de matematikere, der udviklede et af dets nøgleelementer). Opførslen af ​​elektronerne begrænset til en enkelt kant af materialet bør også beskrives af en gauge teori, i dette tilfælde kaldet chiral BF, som blev foreslået i 90'erne, men ikke realiseret i et laboratorium, før ICFO og UAB forskerne trak den ud af fryseren.

En ultrakold sky, der ikke opfører sig som sit spejlbillede

For at give realitet til denne topologiske gauge-teori og simulere den i deres eksperiment brugte holdet en sky af atomer, der var kølet ned til temperaturer omkring en milliardtedel af en grad over det absolutte nulpunkt. Som atomart valgte de kalium, fordi en af ​​dens isotoper har to tilstande, der interagerer med forskellige styrker og kan bruges som kvanteklodser til at konstruere den chirale BF gauge teori. De skinnede derefter med laserlys for at kombinere de to tilstande til en enkelt ny.

Denne teknik, kaldet "at beklæde atomerne med lys", fik dem til at erhverve ejendommelige interaktioner, hvis styrke og fortegn afhang af skyens hastighed. Til sidst skabte de en optisk bølgeleder, der ville begrænse atomernes bevægelse til en linje, og brugte yderligere lasere til at sparke skyen og få den til at bevæge sig med forskellige hastigheder langs den.

Under normale forhold ville det at lade atomerne udvikle sig frit i bølgelederen have resulteret i, at skyen udvidede sig. Men med påklædningslyset tændt viste billederne af atomerne taget i laboratoriet en helt anden adfærd.

Som Ramon Ramos forklarer, "i vores system, når atomerne bevæger sig til højre, er deres interaktioner attraktive og ophæver adfærden hos de atomer, der forsøger at udvide sig. Så hvad du faktisk ser er, at formen af ​​skyen forbliver den samme. I tekniske ord, vi indså en soliton. Men hvis atomerne bevæger sig til venstre, udvider disse atomer sig som almindelig gas."

Observationen af ​​atomer, der opfører sig anderledes, når de bevæger sig i modsatte retninger, viser, at systemet er chiralt, det vil sige forskelligt fra dets spejlbillede. "Da vi for første gang observerede virkningen af ​​chirale interaktioner i vores atomsky, forsøgte vi ikke at simulere en måleteori. Men dataene var så smukke og spændende, at vi følte, at vi virkelig havde brug for at forstå bedre deres betydning. Det fik mig til fuldstændig at ændre holdets forskningsplaner," siger Leticia Tarruell.

Holdet fandt hurtigt ud af, at deres observationer var forbundet med en teoretisk artikel offentliggjort ti år tidligere, som foreslog at bruge en næsten identisk opsætning til at studere en modificeret type elektromagnetisme. Resultaterne af eksperimentet syntes dog aldrig at stemme overens med deres forventninger. Som Craig Chisholm husker, virkede de resultater, vi opnåede, i første omgang slet ikke i overensstemmelse med nogen af ​​teorierne. Udfordringen var at forstå, hvilket regime man skulle være i for faktisk at se den korrekte effekt komme fra det rigtige sted og eliminer effekten fra det forkerte sted".

For forsøgsholdet var betydningen af ​​den modificerede elektromagnetisme, der er nævnt i papiret, også meget uklar. Den citerede matematiske fysikartikler fra 90'erne, som etablerede forbindelsen med gauge-teorierne, der blev brugt til at beskrive den fraktionelle kvante Hall-effekt. Men som Tarruell siger, "for eksperimentelle atomfysikere som os var indholdet af disse værker meget svært at forstå, fordi de var skrevet i et matematisk fysiksprog, der var helt anderledes end vores. Det var virkelig frustrerende at vide, at svaret vores spørgsmål var der, men vi var ikke i stand til at forstå det! Det var her, vi besluttede, at vi skulle bringe en teoretiker ind i billedet."

Et meget frugtbart samarbejde mellem eksperimenter og teorier

For den teoretiske fysiker Alessio Celi, som havde arbejdet i mange år med højenergifysik og tyngdekraft, før han skiftede til kvantesimulering, var det let at læse de originale gauge teoripapirer. Samtidig kunne han forstå det regime, som eksperimenterne kunne udføres i, og deres udfordringer. Han satte sig sammen med forsøgsholdet, og kom efter flere diskussioner frem til en model, der rigtigt kunne forklare forsøgsresultaterne.

Som han forklarer, "det største problem, vi havde, var at komme ind i de rigtige rammer. Når man først vidste, hvor man skulle lede, blev det et let problem at løse." Bemærkelsesværdigt nok var der et regime af parametre, hvor denne model var præcis den topologiske gauge-teori, der blev foreslået 30 år tidligere for at beskrive elektronernes opførsel ved kanterne af fraktioneret kvante Hall-materialer.

"Jeg synes, at dette projekt viser os styrken i tværfaglige samarbejder. Kombinationen af ​​eksperimentelle værktøjer fra ultralav temperaturfysik og teoretiske værktøjer fra højenergifysik har gjort os alle til bedre fysikere, og resulteret i den første kvantesimulering af en topologisk målerteori." slutter Tarruell.

Holdet er allerede klar til at udforske de nye forskningsretninger, som dette projekt åbner. Deres mål er nu at forsøge at udvide eksperimenterne og teorien fra en linje til et plan, hvilket ville give dem mulighed for at observere den fraktionelle kvante Hall-effekt uden behov for et kvantemateriale. Dette ville give adgang til eksotiske kvasipartikler, kaldet anyons, som i fremtiden kunne bruges til mere robuste former for kvanteberegning. + Udforsk yderligere

Forskere opnår første kvantesimulering af baryoner