Een cilindrische staaf is rotatiesymmetrisch - na elke willekeurige rotatie om zijn as ziet hij er altijd hetzelfde uit. Als er een steeds grotere kracht op wordt uitgeoefend in de lengterichting, echter, het zal uiteindelijk knikken en zijn rotatiesymmetrie verliezen. dergelijke processen, bekend als "spontane symmetriebreking", komen ook op subtiele manieren voor in de microscopische kwantumwereld, waar ze verantwoordelijk zijn voor een aantal fundamentele fenomenen zoals magnetisme en supergeleiding. Een team van onderzoekers onder leiding van ETH-professor Tilman Esslinger en Senior Scientist Tobias Donner van het Institute for Quantum Electronics heeft nu de gevolgen van spontane symmetriebreking in detail bestudeerd met behulp van een kwantumsimulator. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap .

Faseovergangen veroorzaakt door symmetriebreking

In hun nieuwe werk Esslinger en zijn medewerkers waren vooral geïnteresseerd in faseovergangen - fysieke processen, dat is, waarin de eigenschappen van een materiaal drastisch veranderen, zoals de overgang van een materiaal van vast naar vloeibaar of de spontane magnetisatie van een vaste stof. In een bepaald type faseovergang dat wordt veroorzaakt door spontane symmetriebreking, er verschijnen zogenaamde Higgs- en Goldstone-modi. Die modi beschrijven hoe de deeltjes in een materiaal collectief reageren op een verstoring van buitenaf. "Dergelijke collectieve excitaties zijn tot nu toe alleen indirect gedetecteerd, " legt Julian Léonard uit, die zijn doctoraat behaalde in het laboratorium van Esslinger, werkt nu als postdoc aan de Harvard University, "maar nu zijn we erin geslaagd om het karakter van die modi direct waar te nemen, die wordt gedicteerd door symmetrie."

Sombrero in de kwantumsimulator

Met dat doel, de natuurkundigen bouwden een kwantumsimulator - een laboratoriumsysteem, dat is, waarin kwantumverschijnselen in hun puurste vorm en onder gecontroleerde omstandigheden kunnen worden bestudeerd. De kwantumsimulator die de ETH-onderzoekers gebruiken, bestaat uit extreem koude rubidiumatomen die worden blootgesteld aan meerdere lichtgolven. Met behulp van twee optische resonatoren, er ontstaat een koppeling tussen de atomen en de lichtgolven waardoor de vorm van de potentiële energie van de rubidium-atomen lijkt op een rotatiesymmetrische slakom. De coördinaten van het energieoppervlak komen overeen met de intensiteit van het licht in de twee resonatoren. Een laserstraal die een zogenaamd optisch rooster creëert, kan vervolgens worden gebruikt om dit slakomachtige oppervlak zodanig te veranderen dat, boven een kritische sterkte van de laserstraal, het begint op een Mexicaanse sombrero te lijken met een uitstulping in het midden.

Onder die omstandigheden, net als in het geval van de cilindrische staaf, spontane symmetriebreking treedt op:net zoals de staaf plotseling in een willekeurige ruimtelijke richting knikte, de atomen in het experiment van Esslinger, die begon in het midden van de slakom, nu met z'n allen op zoek naar een nieuw energieminimum. Dat minimum kan overal langs de groef van de sombrero liggen, omdat elk punt langs de groef dezelfde energie heeft. Dat betekent ook, echter, dat (energetisch gesproken) de atomen collectief langs de groef kunnen worden bewogen zonder enige energietoevoer - dit komt overeen met de zogenaamde Goldstone-modus. Daarentegen, als men ze radiaal wil aanstoten, weg van het midden van de sombrero of er naar toe, men moet de energie leveren die nodig is voor deze Higgs-modus. Opnieuw, dit is te vergelijken met een geknikte staaf, die gemakkelijk te roteren is, maar moeilijk verder te buigen.

Meetmodi in realtime

"Normaal gesproken, Via die energie worden de Goldstone- en Higgs-modi indirect gedetecteerd", zegt Andrea Morales, een promovendus en lid van het onderzoeksteam, "maar we hebben nu in realtime kunnen bestuderen hoe die modi zich gedragen wanneer het systeem wordt verstoord". Om dit te doen, de onderzoekers stuurden een korte laserpuls in een van de optische resonatoren en maten vervolgens de lichtintensiteit in beide resonatoren als functie van de tijd. Hierdoor konden ze de positie van de atomen in de energiesombrero berekenen. Zoals verwacht, na een spannende Goldstone-modus, alleen de hoekcoördinaat langs de groef veranderde, terwijl in de Higgs-modus het de radiale positie was die varieerde.

Voor Tilman Esslinger, deze directe waarneming van een belangrijk en wijdverbreid veeldeeltjesfenomeen - dat tot nu toe alleen indirect kon worden waargenomen - vertegenwoordigt een van de essentiële sterke punten van de kwantumsimulator:"In die synthetische kwantumsystemen hebben we een vrij ideale realisatie van wat er in de natuur gebeurt - in vaste stoffen en ook in afzonderlijke moleculen. De directe observatie van de dynamiek van de Goldstone- en Higgs-modi in de kwantumsimulator verdiept ons begrip van wat er in dergelijke natuurlijke systemen gebeurt."