Een exotisch natuurkundig fenomeen, met optische golven, synthetische magnetische velden, en tijdomkering, voor het eerst direct waargenomen, na tientallen jaren van pogingen. De nieuwe bevinding zou kunnen leiden tot realisaties van wat bekend staat als topologische fasen, en uiteindelijk tot vooruitgang in de richting van fouttolerante kwantumcomputers, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe bevinding heeft betrekking op het niet-Abeliaanse Aharonov-Bohm-effect en wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap door MIT-afgestudeerde student Yi Yang, MIT gastonderzoeker Chao Peng (een professor aan de Universiteit van Peking), MIT-afgestudeerde student Di Zhu, Professor Hrvoje Buljan aan de Universiteit van Zagreb in Kroatië, Francis Wright Davis hoogleraar natuurkunde John Joannopoulos aan het MIT, Professor Bo Zhen aan de Universiteit van Pennsylvania, en MIT-hoogleraar natuurkunde Marin Soljacic.

De bevinding heeft betrekking op ijkvelden, die transformaties beschrijven die deeltjes ondergaan. Spoorvelden vallen in twee klassen, bekend als Abeliaans en niet-Abeliaans. Het Aharonov-Bohm-effect, genoemd naar de theoretici die het in 1959 voorspelden, bevestigde dat ijkvelden - behalve een puur wiskundig hulpmiddel - fysieke gevolgen hebben.

Maar de waarnemingen werkten alleen in Abeliaanse systemen, of die waarin ijkvelden commutatief zijn, dat wil zeggen, ze vinden op dezelfde manier plaats, zowel vooruit als achteruit in de tijd. 1975, Tai-Tsun Wu en Chen-Ning Yang generaliseerden het effect naar het niet-Abelse regime als een gedachte-experiment. Hoe dan ook, het bleef onduidelijk of het zelfs mogelijk zou zijn om het effect ooit in een niet-Abeliaans systeem waar te nemen. Natuurkundigen misten manieren om het effect in het lab te creëren, en ook ontbrak het aan manieren om het effect te detecteren, zelfs als het zou kunnen worden geproduceerd. Nutsvoorzieningen, beide puzzels zijn opgelost, en de met succes uitgevoerde waarnemingen.

Het effect heeft te maken met een van de vreemde en contra-intuïtieve aspecten van de moderne natuurkunde, het feit dat vrijwel alle fundamentele natuurkundige verschijnselen tijdsinvariant zijn. Dat betekent dat de details van de manier waarop deeltjes en krachten op elkaar inwerken, vooruit of achteruit in de tijd kunnen lopen, en een film van hoe de gebeurtenissen zich ontvouwen, kan in beide richtingen worden uitgevoerd, dus er is geen manier om te zeggen welke de echte versie is. Maar een paar exotische verschijnselen schenden deze tijdsymmetrie.

Het creëren van de Abeliaanse versie van de Aharonov-Bohm-effecten vereist het doorbreken van de tijdomkeringssymmetrie, een uitdagende taak op zich, zegt Soljacic. Maar om de niet-Abelse versie van het effect te bereiken, moet deze tijdomkering meerdere keren worden verbroken, en op verschillende manieren waardoor het een nog grotere uitdaging wordt.

Om het effect te produceren, de onderzoekers gebruiken fotonpolarisatie. Vervolgens, ze produceerden twee verschillende soorten tijdomkering. Ze gebruikten glasvezel om twee soorten ijkvelden te produceren die de geometrische fasen van de optische golven beïnvloedden, eerst door ze door een kristal te sturen dat beïnvloed wordt door krachtige magnetische velden, en ten tweede door ze te moduleren met in de tijd variërende elektrische signalen, die beide de tijdomkeringssymmetrie doorbreken. Ze waren vervolgens in staat om interferentiepatronen te produceren die de verschillen onthulden in hoe het licht werd beïnvloed wanneer het in tegengestelde richtingen door het glasvezelsysteem werd gestuurd, met de klok mee of tegen de klok in. Zonder het doorbreken van tijdomkeringsinvariantie, de balken hadden identiek moeten zijn, maar in plaats daarvan, hun interferentiepatronen onthulden specifieke sets van verschillen zoals voorspeld, om de details van het ongrijpbare effect aan te tonen.

Het origineel, Abeliaanse versie van het Aharonov-Bohm-effect "is waargenomen met een reeks experimentele inspanningen, maar het niet-Abelse effect is tot nu toe niet waargenomen, " zegt Yang. De bevinding " stelt ons in staat om veel dingen te doen, " hij zegt, de deur openen naar een breed scala aan potentiële experimenten, inclusief klassieke en kwantumfysische regimes, variaties van het effect te onderzoeken.

De experimentele benadering die door dit team is bedacht "kan inspireren tot de realisatie van exotische topologische fasen in kwantumsimulaties met behulp van fotonen, polariteiten, kwantumgassen, en supergeleidende qubits, " zegt Soljacic. Voor de fotonica zelf, dit kan nuttig zijn in een verscheidenheid aan opto-elektronische toepassingen, hij zegt. In aanvulling, de niet-Abelse ijkvelden die de groep kon synthetiseren, produceerden een niet-Abeliaanse Berry-fase, en "in combinatie met interacties, het kan mogelijk ooit dienen als een platform voor fouttolerante topologische kwantumberekening, " hij zegt.

Op dit punt, het experiment is vooral interessant voor fundamenteel natuurkundig onderzoek, met als doel een beter begrip te krijgen van enkele fundamentele onderbouwingen van de moderne natuurkundige theorie. De vele mogelijke praktische toepassingen "zullen in de toekomst aanvullende doorbraken vergen, ' zegt Soljacic.

Voor een ding, voor kwantumberekening, het experiment zou moeten worden opgeschaald van één enkel apparaat naar waarschijnlijk een heel rooster ervan. En in plaats van de laserstralen die in hun experiment werden gebruikt, het zou het werken met een bron van afzonderlijke individuele fotonen vereisen. Maar zelfs in zijn huidige vorm, het systeem zou kunnen worden gebruikt om vragen in de topologische fysica te onderzoeken, dat een zeer actief gebied van huidig ​​onderzoek is, zegt Soljacic.