Kwantummetertheorieën zijn wiskundige constructies die doorgaans door natuurkundigen worden gebruikt om subatomaire deeltjes te beschrijven, hun bijbehorende golfvelden en de interacties daartussen. De dynamiek die door deze theorieën wordt geschetst, is moeilijk te berekenen, maar het effectief emuleren ervan in het lab kan leiden tot waardevolle nieuwe inzichten en ontdekkingen.

In een recente studie, een team van onderzoekers van het ETH Zürich's Institute for Quantum Electronics heeft met succes een fundamenteel ingrediënt geïmplementeerd voor de simulatie van kwantummetertheorieën in een laboratoriumexperiment. Hun hoop is dat door het simuleren van kwantumsystemen in een sterk gecontroleerde omgeving, ze zullen interessante observaties verzamelen en hun begrip van veellichamensystemen (d.w.z. systemen met veel deeltjes die met elkaar interageren).

"Gebruikelijk, ons werk is geïnspireerd op fenomenen in de vastestoffysica, zoals sterk gecorreleerde fasen van elektronen in complexe materialen, "Tilman Esslinger, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In ons huidige werk echter, we wilden de reikwijdte van ons experimentele platform uitbreiden (d.w.z. ultrakoude atomen in optische roosters) om een ​​nieuwe reeks verschijnselen te onderzoeken die zich voordoen in de fysica van hoge energie en gecondenseerde materie. Het doel was om aan te tonen dat het mogelijk is om meetvelden in onze opstelling te engineeren die dynamische kwantumvrijheidsgraden zijn vanwege hun koppeling aan een materieveld."

Meetvelden zijn een essentieel onderdeel van verschillende kwantumveldentheorieën, inclusief kwantumelektrodynamica en chromodynamica. Ze beschrijven een grote klasse van verschijnselen op verschillende gebieden van de natuurkunde, zoals elementaire deeltjesfysica, fysica van de gecondenseerde materie en kwantuminformatietheorie. Het implementeren van ijkvelden in koude atoomopstellingen zou onderzoekers daarom in staat stellen enkele van deze verschijnselen in het laboratorium te onderzoeken.

De aanpak die Esslinger en zijn collega's in hun onderzoek gebruiken, is gebaseerd op een techniek die Floquet-engineering wordt genoemd. Deze methode wordt gebruikt om een ​​kwantumsysteem periodiek in de tijd te moduleren, waardoor de implementatie van nieuwe fysieke modellen tijdens het experiment mogelijk is die niet toegankelijk zijn in statische systemen.

In hun experimenten, de onderzoekers koelden fermionische kaliumatomen af ​​tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Bij dit regime kwantumeffecten domineren het gedrag van de deeltjes. Hierdoor konden ze deze effecten bestuderen in een zeer beheersbare omgeving. Vervolgens, Esslinger en zijn collega's laadden de afgekoelde atomen in een kunstmatig kristal bestaande uit laserlicht, waardoor specifiek gedrag wordt gesimuleerd, bijvoorbeeld, die van elektronen in een vaste stof materiaal.

"Om de dichtheidsafhankelijke Peierls-fasen te ontwerpen, we gebruikten een Floquet-benadering en schudden het optische rooster in één richting, "Frederik Görg, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Hierdoor konden we het kwantummechanische tunnelproces van de atomen tussen aangrenzende plaatsen van het rooster beheersen."

Door het systeem op twee verschillende frequenties met een relatieve fase aan te drijven, Esslinger en zijn collega's waren in staat om een ​​complexe waarde tunneling te realiseren die een Peierls-fase omvatte. Als resultaat, de atomen die in hun experiment werden gebruikt, begonnen zich te gedragen alsof ze waren blootgesteld aan een synthetisch meetveld.

"Omdat de schudfrequenties zo zijn gekozen dat ze resoneren met de interactie tussen de deeltjes, de Peierls-fase en dus het bijbehorende ijkveld zijn afhankelijk van de atomaire configuratie in het rooster, " legde Görg uit. "Dit leidt tot een terugwerkingsmechanisme tussen de materie en het ijkveld:atomen zullen gaan bewegen door de aanwezigheid van het ijkveld, wat op zijn beurt het meetveld zelf zal veranderen."

In hun studie hebben de onderzoekers ontwikkelden een meetschema op een individuele schakel van het rooster. Met behulp van dit schema, ze maten de Peierls-fase die de atomen oppikken wanneer ze bovenop een tweede atoom tunnelen en vergeleken deze met de fase die ze oppikken wanneer ze op een lege plek springen.

De onderzoekers constateerden dat er een significant verschil was tussen deze twee fasen. Dit suggereert dat het meetveld geassocieerd met deze Peierls-fasen afhangt van de bezetting van de roosterlocaties - met andere woorden, het is dichtheidsafhankelijk.

"Zo'n sterk gecorreleerd systeem bestaande uit atomen gekoppeld aan een dynamisch ijkveld is erg moeilijk aan te pakken met numerieke simulaties op klassieke computers, " zei Görg. "Ons werk is de eerste stap in de richting van een experimentele kwantumsimulatie van roostermaattheorieën, die nieuw licht kan werpen op slecht begrepen verschijnselen in gecondenseerde materie en hoge-energiefysica."

De recente studie die door dit team van onderzoekers is uitgevoerd, introduceert een nieuwe veelzijdige methode om verschillende klassen van dichtheidsafhankelijke meetvelden te implementeren en te simuleren. uiteindelijk, de techniek die ze voorstelden zou de weg kunnen effenen voor spannende nieuwe natuurkundige observaties en theorieën. In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan het te gebruiken om de wisselwerking tussen dynamische ijkvelden en atomen te bestuderen in systemen met veel lichamen die zijn geïmplementeerd in een uitgebreid optisch rooster.

"We hebben in eerder werk al aangetoond dat we een zeer goede controle hebben over aangedreven veellichamensystemen en dat we problemen kunnen verminderen die verband houden met op elkaar inwerkende Floquet-systemen zoals verwarming, Esslinger zei. "Samen met de dichtheidsafhankelijke Peierls-fasen die in dit artikel worden aangetoond, ons experiment biedt een veelzijdig platform om sterk gecorreleerde fasen van kwantummetertheorieën te simuleren en te begrijpen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk