Natuurkundigen van ETH Zürich hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om gekwantiseerde ijkvelden te koppelen aan ultrakoude materie. De methode kan de basis zijn voor een veelzijdig platform om problemen aan te pakken, variërend van gecondenseerde materie tot hoge-energiefysica.

De interactie tussen velden en materie is een terugkerend thema in de natuurkunde. Klassieke gevallen zoals de banen van een hemellichaam dat beweegt in het zwaartekrachtveld van anderen of de beweging van een elektron in een magnetisch veld zijn buitengewoon goed begrepen, en voorspellingen kunnen met verbazingwekkende nauwkeurigheid worden gedaan. Echter, wanneer expliciet rekening moet worden gehouden met het kwantumkarakter van de betrokken deeltjes en velden, dan wordt de situatie al snel complex. En als, in aanvulling op, het veld hangt af van de toestand van de deeltjes die erin evolueren, dan kunnen berekeningen zelfs voor de krachtigste computers van vandaag onbereikbaar worden.

De beperkingen van het verkennen van regimes van dynamische interactie tussen velden en materie belemmeren vooruitgang op gebieden variërend van fysica van gecondenseerde materie tot hoge-energiefysica. Maar er is een alternatieve benadering:in plaats van de dynamiek te berekenen, simuleren ze. beroemd, voor planetaire systemen, mechanische modellen die bekend staan ​​als orreries werden gebouwd lang voordat digitale computers werden ontwikkeld. In recente jaren, onderzoekers hebben zogenaamde kwantumsimulatoren ontwikkeld waarin de onbekende dynamiek van het ene kwantumsysteem wordt nagebootst met behulp van een ander, meer controleerbare. Zoals ze vandaag in het journaal melden Natuurfysica , Frederik Görg en collega's in de groep van Tilman Esslinger in de afdeling Natuurkunde van ETH Zürich hebben nu aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van kwantumsimulatoren die kunnen worden gebruikt om algemene klassen van problemen aan te pakken waarbij de dynamiek van materie en velden gekoppeld zijn.

Moeilijk te meten resultaten

Görg et al. keek niet direct naar zwaartekracht of elektromagnetische velden, maar op zogenaamde ijkvelden. Dit zijn hulpvelden die doorgaans niet direct waarneembaar zijn in experimenten, maar des te krachtiger als een consistent raamwerk voor de wiskundige behandeling van de interacties tussen deeltjes en velden. Als een centraal concept in de natuurkunde, ijkvelden bieden een unieke manier om krachten te begrijpen - zowel de elektromagnetische kracht als de krachten die subatomaire deeltjes bij elkaar houden. Bijgevolg, er is veel belangstelling voor kwantumsimulaties van ijkvelden, die nieuw inzicht kunnen geven in situaties die momenteel niet in berekeningen of computersimulaties kunnen worden onderzocht.

Een van de momenteel toonaangevende platforms voor het simuleren van complexe kwantumsystemen is gebaseerd op atomen die worden afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt en worden gevangen in roosterstructuren die worden gecreëerd door laserlicht. Een grote vooruitgang in de afgelopen jaren is het besef dat de atomen kunnen worden gebruikt om het gedrag van elektronen in een magnetisch veld na te bootsen, zelfs als de atomen geen elektrische lading hebben. De sleutel om dit te bereiken is het gebruik van externe controleparameters om het kwantumtunnelingproces te sturen waarmee de atomen tussen aangrenzende plaatsen van het optische rooster bewegen. Door de complexe fase die de kwantumdeeltjes oppikken in een tunneling-gebeurtenis - bekend als de Peierls-fase - op de juiste manier aan te passen, kunnen de neutrale atomen zich precies gedragen als geladen deeltjes die in een magnetisch veld bewegen. De kunstmatige dynamiek in deze synthetische ijkvelden kan worden vergeleken met die van klassieke planeten, waarin de modelplaneten bewegen alsof ze onderworpen zijn aan een aanzienlijke zwaartekracht vanuit een centraal lichaam, het gedrag van echte planeten na te bootsen.

Het veld opschudden

De Esslinger-groep en anderen hebben het ultrakoude-atoomplatform eerder gebruikt om kunstmatige ijkvelden te creëren die het resultaat zijn van complexe tunnelfasen. Maar tot nu toe, deze gemanipuleerde velden waren intrinsiek klassiek, en omvatte geen terugwerking van de atomen naar het meetveld. Vandaar de opwinding toen Görg en zijn collega's nu een flexibele manier presenteren om koppeling tussen atomen en ijkvelden te bereiken. Ze stellen een procedure voor - en implementeren - om de Peierls-fase afhankelijk te maken van hoe de atomen in het rooster zijn verdeeld. Wanneer de verdeling verandert als gevolg van de interactie met het meetveld, het meetveld zelf wordt gewijzigd. Dit is alsof het planetarium zou versnellen of vertragen, afhankelijk van de planetaire constellatie (wat niet nodig is om eenvoudige hemelmechanica te modelleren, omdat de interactie tussen planeten wordt verwaarloosd). In het geval van een kwantumsimulator voor kwantummetervelden, echter, de interactie tussen de deeltjes is een essentieel ingrediënt.

In de nu gerapporteerde experimenten, de ETH-fysici creëerden een optisch rooster dat bestaat uit 'dimeren, " elk gemaakt van twee aangrenzende locaties waarin fermionische atomen afzonderlijk of in paren kunnen verblijven (zie de afbeelding). De tunneling tussen de locaties van het dimeer wordt geregeld door het rooster op twee verschillende frequenties te schudden met een piëzo-elektrische actuator. De frequenties en fasen van de modulatie zijn zo gekozen dat de Peierls-fase tussen sites afhangt van het feit of een atoom zijn dimeersite deelt met een ander atoom van de tegenovergestelde spin (zie de animatie).

Algemeenheid is belangrijk

De stap naar het engineeren van ijkvelden die gekoppeld zijn aan ultrakoude materie is een belangrijke. Ultrakoude atomen in optische roosters zijn al gevestigd als een veelzijdig platform voor kwantumsimulaties, inclusief het nabootsen van complexe elektronische verschijnselen die optreden in vastestofmaterialen. Het huidige werk van Görg et al., samen met verwante recente vorderingen van andere groepen, belooft dat in de niet al te verre toekomst ook complexere kwantummetervelden kunnen worden aangepakt, in het bijzonder die welke voorkomen in de hoge-energiefysica en de huidige klassieke simulatiebenaderingen uitdagen.

Een duidelijke kracht van de aanpak van Görg et al. is dat het kan worden gebruikt voor het ontwerpen van een verscheidenheid aan verschillende gekwantiseerde meetvelden, buiten het specifieke scenario dat ze experimenteel hebben onderzocht in het zojuist gepubliceerde artikel, zoals ze laten zien op basis van theoretische overwegingen. En aangezien het werk ook voortreffelijke experimentele controle aantoont over een zeer afstembaar atomair veellichamensysteem, er is nu het duidelijke en intrigerende vooruitzicht van een modern planetarium dat inzicht geeft, niet in bewegingen aan de hemel, maar diep in de kwantumwereld.