Ons moderne begrip van de fysieke wereld is gebaseerd op ijktheorieën:wiskundige modellen uit de theoretische natuurkunde die de interacties tussen elementaire deeltjes (zoals elektronen of quarks) beschrijven en kwantummechanische drie van de fundamentele natuurkrachten verklaren:de elektromagnetische, zwakke en sterke krachten. De vierde fundamentele kracht, zwaartekracht, wordt beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie, die, hoewel nog niet begrepen in het kwantumregime, ook een ijktheorie is. Metertheorieën kunnen ook worden gebruikt om het exotische kwantumgedrag van elektronen in bepaalde materialen of de foutcorrectiecodes te verklaren die toekomstige kwantumcomputers nodig hebben om betrouwbaar te werken, en zijn het werkpaard van de moderne natuurkunde.

Om deze theorieën beter te begrijpen, is een mogelijkheid om ze te realiseren met behulp van kunstmatige en goed controleerbare kwantumsystemen. Deze strategie wordt kwantumsimulatie genoemd en vormt een speciaal type kwantumcomputing. Het werd voor het eerst voorgesteld door de natuurkundige Richard Feynman in de jaren 80, meer dan vijftien jaar nadat hij de Nobelprijs voor de natuurkunde had gekregen voor zijn baanbrekende theoretische werk op het gebied van ijktheorieën.

Kwantumsimulatie kan worden gezien als een kwantum-LEGO-spel waarbij experimentele natuurkundigen abstracte theoretische modellen werkelijkheid laten worden. Ze bouwen ze in het laboratorium "quantum brick by quantum brick", met behulp van zeer goed gecontroleerde kwantumsystemen zoals ultrakoude atomen of ionen. Na het samenstellen van één kwantum-LEGO-prototype voor een specifiek model, kunnen de onderzoekers de eigenschappen ervan heel nauwkeurig in het laboratorium meten en hun resultaten gebruiken om de theorie die het nabootst beter te begrijpen. Gedurende het laatste decennium is kwantumsimulatie intensief gebruikt om kwantummaterialen te onderzoeken. Het spelen van het kwantum-LEGO-spel met ijktheorieën is echter fundamenteel uitdagender. Tot nu toe kon alleen de elektromagnetische kracht op deze manier worden onderzocht.

In een recente studie gepubliceerd in Nature , ICFO-experimentele onderzoekers Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri en Cesar Cabrera, geleid door ICREA Prof. bij ICFO Leticia Tarruell, in samenwerking met Alessio Celi, een theoretisch onderzoeker van het Talent-programma aan de Autonome Universiteit van Barcelona, waren in staat om voor het eerst een andere ijktheorie dan elektromagnetisme te simuleren, met behulp van ultrakoude atomen.

Een ijktheorie voor zeer zware fotonen

Het team wilde in het laboratorium een ​​ijktheorie realiseren die behoort tot de klasse van topologische ijktheorieën, die verschilt van de klasse van dynamische ijktheorieën waartoe elektromagnetisme behoort.

In de taal van de ijktheorie ontstaat de elektromagnetische kracht tussen twee elektronen wanneer ze een foton uitwisselen:een lichtdeeltje dat zich zelfs kan voortplanten als er geen materie is. In tweedimensionale kwantummaterialen die worden blootgesteld aan zeer sterke magnetische velden, gedragen de fotonen die door de elektronen worden uitgewisseld zich echter alsof ze extreem zwaar zijn en kunnen ze alleen bewegen zolang ze aan materie zijn gehecht.

Als gevolg hiervan hebben de elektronen zeer eigenaardige eigenschappen:ze kunnen alleen door de randen van het materiaal stromen, in een richting die wordt bepaald door de oriëntatie van het magnetische veld, en hun lading wordt schijnbaar fractioneel. Dit gedrag staat bekend als het fractionele quantum Hall-effect en wordt beschreven door de Chern-Simons ijktheorie (vernoemd naar de wiskundigen die een van de belangrijkste elementen ervan ontwikkelden). Het gedrag van de elektronen beperkt tot een enkele rand van het materiaal moet ook worden beschreven door een ijktheorie, in dit geval chirale BF genoemd, die in de jaren 90 werd voorgesteld maar niet in een laboratorium werd gerealiseerd totdat de ICFO- en UAB-onderzoekers het eruit haalden van de vriezer.

Een ultrakoude wolk die zich niet als zijn spiegelbeeld gedraagt

Om deze topologische ijktheorie werkelijkheid te maken en in hun experiment te simuleren, gebruikte het team een ​​wolk van atomen die was afgekoeld tot temperaturen van ongeveer een miljardste graad boven het absolute nulpunt. Als atomaire soort kozen ze kalium, omdat een van zijn isotopen twee toestanden heeft die met verschillende sterkten interageren en kan worden gebruikt als de kwantumstenen om de chirale BF-metertheorie te construeren. Vervolgens schenen ze met laserlicht om de twee toestanden te combineren tot een enkele nieuwe.

Deze techniek, genaamd "de atomen met licht bekleden", zorgde ervoor dat ze eigenaardige interacties kregen waarvan de sterkte en het teken afhingen van de snelheid van de wolk. Ten slotte creëerden ze een optische golfgeleider die de beweging van de atomen tot een lijn zou beperken, en gebruikten ze extra lasers om de wolk te schoppen en deze met verschillende snelheden erlangs te laten bewegen.

Onder normale omstandigheden zou het vrij laten evolueren van de atomen in de golfgeleider ertoe hebben geleid dat de wolk uitdijde. Met het verbandlicht aan vertoonden de beelden van de atomen die in het laboratorium werden genomen echter een heel ander gedrag.

Zoals Ramon Ramos uitlegt:"In ons systeem, wanneer de atomen naar rechts bewegen, zijn hun interacties aantrekkelijk en annuleren ze het gedrag van de atomen die proberen uit te breiden. Dus wat je eigenlijk ziet, is dat de vorm van de wolk hetzelfde blijft. technische woorden, we realiseerden een soliton. Maar als de atomen naar links bewegen, zetten deze atomen uit als normaal gas.'

De waarneming van atomen die zich anders gedragen wanneer ze in tegengestelde richtingen bewegen, toont aan dat het systeem chiraal is, dat wil zeggen anders dan zijn spiegelbeeld. "Toen we voor het eerst het effect van chirale interacties in onze atomaire wolk observeerden, probeerden we geen ijktheorie te simuleren. Maar de gegevens waren zo mooi en intrigerend dat we het gevoel hadden dat we de betekenis ervan echt beter moesten begrijpen. zorgde ervoor dat ik de onderzoeksplannen van het team volledig heb veranderd", zegt Leticia Tarruell.

Het team kwam er al snel achter dat hun waarnemingen verband hielden met een theoretisch artikel dat tien jaar eerder was gepubliceerd, waarin werd voorgesteld om een ​​bijna identieke opstelling te gebruiken om een ​​gewijzigd type elektromagnetisme te bestuderen. De resultaten van het experiment leken echter nooit overeen te komen met hun verwachtingen. Zoals Craig Chisholm zich herinnert, leken de resultaten die we behaalden aanvankelijk helemaal niet in overeenstemming met de theorie. De uitdaging was om te begrijpen in welk regime je moest zijn om het juiste effect van de juiste plaats te zien komen en om elimineer het effect dat van de verkeerde plaats komt".

Voor het experimentele team was de betekenis van het gemodificeerde elektromagnetisme dat in het artikel wordt genoemd ook erg onduidelijk. Het citeerde wiskundige fysica-papers uit de jaren 90, die het verband legden met de ijktheorieën die werden gebruikt om het fractionele kwantum Hall-effect te beschrijven. Maar, zoals Tarruell zegt:"voor experimentele atoomfysici zoals wij was de inhoud van deze werken erg moeilijk te vatten, omdat ze waren geschreven in een wiskundige natuurkundige taal die totaal anders was dan de onze. Het was echt frustrerend om te weten dat het antwoord op onze vragen was er, maar we konden het niet begrijpen! Dit was het moment waarop we besloten dat we een theoreticus in beeld moesten brengen."

Een zeer vruchtbare experiment-theorie samenwerking

Voor theoretisch fysicus Alessio Celi, die vele jaren aan hoge-energiefysica en zwaartekracht had gewerkt voordat hij overstapte naar kwantumsimulatie, was het lezen van de originele ijktheoriepapieren eenvoudig. Tegelijkertijd begreep hij het regime waarin de experimenten konden worden uitgevoerd en hun uitdagingen. Hij ging om de tafel zitten met het experimentele team en kwam na verschillende discussies met een model dat de experimentele resultaten goed kon verklaren.

Zoals hij uitlegt:"Het grootste probleem dat we hadden, was om in het juiste kader te komen. Toen je eenmaal wist waar je moest zoeken, werd het een gemakkelijk op te lossen probleem." Opmerkelijk was dat er een regime van parameters was waarbij dit model precies de topologische ijktheorie was die 30 jaar eerder werd voorgesteld om het gedrag van elektronen aan de randen van fractionele quantum Hall-materialen te beschrijven.

"Ik denk dat dit project ons de kracht van interdisciplinaire samenwerkingen laat zien. De combinatie van experimentele instrumenten van fysica bij ultralage temperaturen en theoretische instrumenten uit de hoge-energiefysica heeft ons allemaal betere fysici gemaakt en heeft geresulteerd in de eerste kwantumsimulatie van een topologische ijktheorie." concludeert Tarruell.

Het team is al klaar om de nieuwe onderzoeksrichtingen te verkennen die door dit project zijn geopend. Hun doel is nu om te proberen de experimenten en de theorie uit te breiden van een lijn naar een vlak, waardoor ze het fractionele kwantum Hall-effect kunnen waarnemen zonder dat er kwantummateriaal nodig is. Dit zou toegang geven tot exotische quasi-deeltjes, anyons genaamd, die in de toekomst zouden kunnen worden gebruikt voor robuustere vormen van quantum computing. + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken eerste kwantumsimulatie van baryonen