Kvantfältsteorier är ofta svåra att verifiera i experiment. Nu, det finns ett nytt sätt att testa dem. Forskare har skapat ett kvantsystem som består av tusentals ultrakalla atomer. Genom att hålla dem i en magnetfälla på ett atomchip, detta atommoln kan användas som en 'kvantsimulator', som ger ny inblick i några av fysikens mest grundläggande frågor.

Vad hände direkt efter universums början? Hur kan vi förstå strukturen för kvantmaterial? Hur fungerar Higgs-mekanismen? Sådana grundläggande frågor kan endast besvaras med hjälp av kvantfältsteorier. Dessa teorier beskriver inte partiklar oberoende av varandra; alla partiklar ses som ett kollektivt fält, genomsyrar hela universum.

Men dessa teorier är ofta svåra att testa i ett experiment. Vid Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) vid TU Wien, forskare har nu visat hur teorier om kvantfält kan testas i nya experiment. De har skapat ett kvantsystem som består av tusentals ultrakalla atomer. Genom att hålla dem i en magnetfälla på ett atomchip, detta atommoln kan användas som en "kvantsimulator", som ger information om en mängd olika fysiska system och ny inblick i några av fysikens mest grundläggande frågor.

Komplexa kvantsystem - mer än summan av deras delar

"Ultrakalla atomer öppnar en dörr för att återskapa och studera grundläggande kvantprocesser i labbet", säger professor Jörg Schmiedmayer (VCQ, TU Wien). Ett kännetecken för ett sådant system är att dess delar inte kan studeras oberoende.

De klassiska system vi känner till från daglig erfarenhet är ganska olika:Bollarnas banor på ett biljardbord kan studeras separat - bollarna interagerar bara när de krockar.

"I ett starkt korrelerat kvantsystem som vårt, består av tusentals partiklar, komplexiteten är så hög att en beskrivning av dess grundläggande beståndsdelar är matematiskt omöjlig ", säger Thomas Schweigler, tidningens första författare. "Istället, vi beskriver systemet i termer av kollektiva processer där många partiklar deltar - liknande vågor i en vätska, som också består av otaliga molekyler. "Dessa kollektiva processer kan nu studeras i oöverträffad detalj med hjälp av de nya metoderna.

Högre korrelationer

Vid högprecisionsmätningar, det visar sig att sannolikheten för att hitta en individuell atom inte är densamma vid varje punkt i rymden - och det finns spännande förhållanden mellan de olika sannolikheterna. "När vi har en klassisk gas och vi mäter två partiklar på två separata platser, detta resultat påverkar inte sannolikheten att hitta en tredje partikel vid en tredje punkt i rymden ", säger Jörg Schmiedmayer. "Men i kvantfysik, det finns subtila kopplingar mellan mätningar på olika punkter i rymden. Dessa korrelationer berättar om de grundläggande naturlagarna som bestämmer atommolnets beteende på kvantnivå. "

"De så kallade korrelationsfunktionerna, som används för att matematiskt beskriva dessa relationer, är ett extremt viktigt verktyg i teoretisk fysik för att karakterisera kvantsystem ", säger professor Jürgen Berges (Institutet för teoretisk fysik, Heidelberg University). Men även om de har spelat en viktig roll i teoretisk fysik under lång tid, dessa korrelationer kunde knappast mätas i experiment. Med hjälp av de nya metoderna som utvecklats vid TU Wien, detta förändras nu:"Vi kan studera korrelationer mellan olika ordningar - upp till den tionde ordningen. Detta innebär att vi kan undersöka sambandet mellan samtidiga mätningar vid tio olika punkter i rymden", Schmiedmayer förklarar. "För att beskriva kvantsystemet, det är mycket viktigt om dessa högre korrelationer kan representeras av korrelationer av lägre ordning - i detta fall, de kan försummas någon gång - eller om de innehåller ny information. "

Kantsimulatorer

Med sådana högkorrelerade system som atommolnet i magnetfällan, olika teorier kan nu testas i en välkontrollerad miljö. Detta gör att vi kan få en djup förståelse för kvantkorrelationernas natur. Detta är särskilt viktigt eftersom kvantkorrelationer spelar en avgörande roll i många, till synes orelaterade fysikfrågor:Exempel är det unga universums säregna beteende direkt efter big bang, men också för speciella nya material, såsom de så kallade topologiska isolatorerna.

Viktig information om sådana fysiska system kan erhållas genom att återskapa liknande förhållanden i ett modellsystem, som atommolnen. Detta är grundtanken med kvantsimulatorer:Ungefär som datasimuleringar, som ger data från vilka vi kan lära oss något om den fysiska världen, en kvantsimulering kan ge resultat om ett annat kvantsystem som inte kan nås direkt i labbet.

Studien publiceras i tidskriften Natur .