Monika Aidelsburger gebruikt een speciaal type optisch rooster om kwantumverschijnselen met veel lichamen te simuleren die anders ontoegankelijk zijn voor experimentele verkenning. Ze heeft nu een ERC Starting Grant gekregen om dit werk voort te zetten.

In het afgelopen decennium is onderzoekers onder leiding van professor Immanuel Bloch, die een leerstoel experimentele fysica bekleedt aan de LMU, hebben verschillende technieken en strategieën ontwikkeld om de geheimen van de kwantumwereld te onderzoeken. Er is veel vooruitgang geboekt, maar veel interessante verschijnselen blijven onontgonnen, en theoretische schema's zijn vaak moeilijk te testen. Het team van Bloch is vooral geïnteresseerd in kwantuminteracties die kunnen worden gemodelleerd met behulp van ultrakoude gassen die zijn gevangen in optische roosters gevormd door laserstralen. Dr. Monika Aidelsburger, leider van een onderzoeksgroep op de afdeling van Bloch, heeft nu een zeer begiftigde Starting Grant ontvangen van de European Research Council (ERC) om dit werkterrein uit te breiden. Haar doel is om ultrakoude ytterbiumatomen gevangen in optische roosters te gebruiken om modellen van kwantumgedrag in gecondenseerde materie te simuleren op een schaal die drie ordes van grootte groter is dan in echte vaste stoffen.

Inderdaad, Aidelsburger, die ook deel uitmaakt van het Max Planck Institute for Quantum Optics, hoopt deze strategie verder uit te werken, en gebruik het om 'roostermetertheorieën' te simuleren, die fundamentele interacties tussen deeltjes beschrijven in termen van 'meetvelden'. Bij deze modellen materievelden (stofdeeltjes) worden afgebeeld als punten op een fictief rooster, en de krachtvelden die erop inwerken, worden weergegeven door de verbindingen tussen deze knooppunten. Lattice gauge-theorieën zijn van fundamenteel belang in veel takken van de kwantumfysica. Ze vormen niet alleen de basis voor het standaardmodel van de deeltjesfysica, ze kunnen ook worden toegepast op de fysica die ten grondslag ligt aan het gedrag van sterk interagerende elektronen in vaste stoffen, en kan belangrijke verschijnselen in de kwantumelektrodynamica verklaren. Daarom, De experimentele benadering van Aidelsburger voor het simuleren van roostermaattheorieën in optische roosters zou een verband leggen tussen klassieke en kwantumfysica, en analoge simulaties mogelijk te maken van verschijnselen die worden waargenomen in andere instellingen dan de vastestoffysica. Het onderzoek van Aidelsburger heeft zich tot nu toe gericht op het simuleren van de effecten van magnetische velden. "Dit komt omdat ook magnetische velden kunnen worden beschreven in termen van ijkvelden, " legt ze uit. Natuurkundigen hopen deze ideeën uit te breiden en toe te passen op andere kwantum veel-lichaamsverschijnselen die grotendeels ontoegankelijk zijn gebleven.

Twee langlevende staten

Het experimentele platform wordt momenteel ontworpen en binnenkort zullen de optische tafels in het laboratorium van Aidelsburger worden uitgerust met zorgvuldig geplaatste lenzen en spiegels, lasers en optische vezels. Gecontroleerde manipulaties van ultrakoude atomen in optische roosters zijn al met succes gebruikt om kwantumverschijnselen die zijn waargenomen in systemen met gecondenseerde materie te onderzoeken en te simuleren. Deze experimenten zijn uitgevoerd onder omstandigheden waarin de atomen kunnen 'tunnelen' tussen roosterplaatsen, hoewel hun collectieve bewegingen worden beïnvloed door de globale parameters van de roosters. Uitbreiding van de strategie naar theorieën over de roostermaat vereist plaatsspecifieke controle over de bewegingen van de atomen in het rooster.

Het opzetten van zo'n experiment is extreem veeleisend, omdat de symmetrieën die inherent zijn aan ijktheorieën nauwkeurig moeten worden gereproduceerd. "Een succesvolle implementatie vereist het gebruik van volledig nieuwe benaderingen, ", zegt Aidelsburger. "Dit brengt een hoog risico met zich mee, maar het hebben van een werkende kwantumsimulator van zo'n model zou een enorme vooruitgang betekenen." Het team van Bloch heeft veel geleerd over hoe kwantumgassen bij temperaturen slechts een smidgen boven het absolute nulpunt kunnen worden gehouden, genereren en manipuleren optische roosters en regelen de bewegingen van atomen van verschillende elementen zoals rubidium, natrium en lithium, om er maar een paar te noemen. Aidelsburger's experimenten zullen yterrbium (Yb) atomen gebruiken, omdat ze twee langlevende kwantumtoestanden vertonen, waardoor ze bijzonder nuttig zijn voor de geplande simulaties. Er zullen sterk gefocusseerde laserstralen worden gebruikt om de bewegingen van de atomen in het rooster specifiek te sturen. In de simulatie, de twee atomaire toestanden zullen zowel de rol spelen van de materiedeeltjes als de deeltjes die de krachten bemiddelen die erop inwerken.

Het is technisch mogelijk om de beweging van de twee langlevende toestanden van Yb-atomen in het rooster te koppelen. "Deze lokale koppeling stelt ons voor het eerst in staat om de fundamentele bouwstenen van eenvoudige roostermaattheorieën in een experimentele setting experimenteel weer te geven, ", zegt Aidelsburger. Bovendien, de techniek kan eenvoudig worden uitgebreid tot grotere roosterstructuren en hogere afmetingen. Dit zou onderzoekers in staat stellen om roostermaattheorieën te simuleren die een belangrijke rol spelen in zowel de fysica van de gecondenseerde materie als de kwantumelektrodynamica met behulp van hanteerbare experimentele procedures. Dat zou echt een baanbrekende prestatie zijn. "Onze strategie opent geheel nieuwe experimentele mogelijkheden om bepaalde fenomenen te onderzoeken en ideeën voor nieuwe theorieën te ontwikkelen, ', zegt Aidelsburger.

De fijne aanpassingen

Het vooruitzicht de komende jaren bij Immanuel Bloch aan de slag te kunnen gaan als tenure-track professor was een van de redenen waarom ze besloot terug te keren naar München na haar periode als postdoc aan het Collège de France in Parijs. "Jonge onderzoekers hebben zulke perspectieven op langere termijn nodig, " ze zegt, "Vooral als ze zo'n complexe en veeleisende experimentele taak willen uitvoeren." Het ontwerp en de bouw van een nieuw systeem kan tot drie jaar duren. Men begint met eenvoudige modellen, en vraagt ​​of hun simulatie resultaten oplevert die overeenkomen met die verkregen met de theorie, of compatibel zijn met voorspellingen die zijn afgeleid met behulp van gevestigde numerieke methoden, zoals Monte Carlo-simulaties. Deze tests dienen als een kalibratieschaal voor experimenten - en stellen onderzoekers in staat om de omstandigheden op de juiste manier aan te passen en het niveau van complexiteit van de experimenten geleidelijk te verhogen. In aanvulling, de experimentele systemen moeten voortdurend worden gecontroleerd om er zeker van te zijn dat ze een juiste beschrijving geven van de verschijnselen die ze willen beschrijven. "Dit is waar nauwe samenwerking met theoretici op andere gebieden bijzonder belangrijk is, ", zegt Aidelsburger. "De risico's zijn aanzienlijk, want dit is grotendeels onbekend terrein voor ons allemaal. We moeten heel verschillende gebieden van de natuurkunde bij elkaar brengen. Ik hoop vurig dat de eerste experimenten met eenvoudige modellen resultaten zullen opleveren die hun weerklank vinden in diverse disciplines."

In de eenvoudigste modellen de Yb-atomen kunnen een van de twee gedefinieerde toestanden aannemen, de grondtoestand en een enkele metastabiele aangeslagen toestand. Het doel is om geleidelijk meer staten aan het systeem toe te voegen, waardoor complexere interacties kunnen worden geïmplementeerd. Dit zou een belangrijke stap zijn in de richting van het uiteindelijke doel om ultrakoude atomen te gebruiken om de sterke kernkracht te simuleren - de interactie tussen quarks (de fundamentele bestanddelen van atoomkernen) en gluonen (de krachtdeeltjes die atoomkernen bij elkaar houden). De laatste taak vereist de implementatie van veel complexere theorieën over roostermaat.

Individuele cellen in tweedimensionale optische roosters bestaande uit 100 × 100 atomen kunnen nu worden aangesproken en hun bezettingen worden gecontroleerd, waardoor dynamische effecten in detail kunnen worden waargenomen. Dus, het is mogelijk om te bepalen of een bepaalde roostercel onder bepaalde omstandigheden bezet is, en de toestand van elk atoom in het rooster kan praktisch in realtime worden onderzocht. Met deze prestaties onder hun riem, natuurkundigen zijn goed op weg om het idee van een kwantumsimulator te realiseren dat de beroemde Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman in de jaren tachtig formuleerde. "We hopen dat onze opstelling de weg zal effenen voor het experimenteel onderzoeken van fundamentele problemen in de kwantumchromodynamica, " zegt Aidelsburger - voordat hij een nadrukkelijke kwalificatie toevoegt:"Maar we staan ​​nog aan het begin."