En cylindrisk stav är rotationssymmetrisk - efter godtycklig rotation runt dess axel ser den alltid likadan ut. Om en allt större kraft appliceras på den i längdriktningen, dock, det kommer så småningom att spänna och förlora sin rotationssymmetri. Sådana processer, känd som "spontan symmetribrytning", förekommer också på subtila sätt i den mikroskopiska kvantvärlden, där de är ansvariga för ett antal grundläggande fenomen som magnetism och supraledning. Ett team av forskare som leds av ETH -professorn Tilman Esslinger och seniorforskaren Tobias Donner vid Institute for Quantum Electronics har nu studerat konsekvenserna av att spontan symmetri bryts i detalj med hjälp av en kvantsimulator. Resultaten av deras forskning har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Vetenskap .

Fasövergångar orsakade av symmetribrytning

I deras nya verk, Esslinger och hans medarbetare intresserade sig särskilt för fasövergångar - fysiska processer, det är, där egenskaperna hos ett material förändras drastiskt, såsom övergången av ett material från fast till vätska eller spontan magnetisering av ett fast ämne. I en viss typ av fasövergång som orsakas av spontan symmetribrytning, så kallade Higgs- och Goldstone-lägen visas. Dessa lägen beskriver hur partiklarna i ett material reagerar kollektivt på störningar utifrån. "Sådana kollektiva upphetsningar har hittills bara upptäckts indirekt, "förklarar Julian Léonard, som tog sin doktorsexamen i Esslingers laboratorium arbetar nu som postdoc vid Harvard University, "men nu har vi lyckats direkt observera karaktären hos dessa lägen, som dikteras av symmetri. "

Sombrero i kvantsimulatorn

I det syftet, fysikerna byggde en kvantsimulator - ett laboratoriesystem, det är, där kvantfenomen kan studeras i sin renaste form och under kontrollerade förhållanden. Kantsimulatorn som används av ETH -forskarna består av extremt kalla rubidiumatomer som utsätts för flera ljusvågor. Med hjälp av två optiska resonatorer, en koppling mellan atomerna och ljusvågorna skapas som får formen på rubidiumatomernas potentiella energi att se ut som en rotationssymmetrisk salladsskål. Koordinaterna för energiytan motsvarar ljusets intensitet i de två resonatorerna. En laserstråle som skapar ett så kallat optiskt gitter kan sedan användas för att ändra denna salladsskålliknande yta på ett sådant sätt att, ovanför laserstrålens kritiska styrka, det börjar likna en mexikansk sombrero med en utbuktning i mitten.

Under dessa omständigheter, ungefär som i fallet med den cylindriska stången, spontan symmetri bryts upp:precis som stången plötsligt knäckte i en slumpmässig rumslig riktning, atomerna i Esslingers experiment, som började mitt i salladsskålen, nu letar alla tillsammans efter ett nytt energiminimum. Det lägsta kan ligga var som helst längs sombrero -spåret, eftersom varje punkt längs spåret har samma energi. Det betyder också, dock, att (energiskt sett) kan atomerna förflyttas kollektivt längs spåret utan någon energitillförsel - detta motsvarar det så kallade Goldstone -läget. Däremot, om man vill knuffa dem radiellt, bort från mitten av sombrero eller mot den, man måste ge den energi som behövs för detta Higgs -läge. På nytt, detta kan jämföras med en spännstång, som är lätt att rotera men svårt att böja ytterligare.

Mätlägen i realtid

"I vanliga fall, Goldstone- och Higgs -lägen detekteras indirekt via den energin ", säger Andrea Morales, en doktorand och medlem i forskargruppen, "men vi har nu kunnat studera i realtid hur dessa lägen beter sig när systemet störs". Att göra så, forskarna skickade en kort laserpuls in i en av de optiska resonatorerna och mätte sedan ljusintensiteten i båda resonatorerna som en funktion av tiden. Detta gjorde det möjligt för dem att beräkna positionen för atomerna inuti energin sombrero. Som förväntat, efter spännande ett Goldstone -läge, endast vinkelkoordinaten längs spåret ändrades, medan det i Higgs -läget var det radiella läget som varierade.

För Tilman Esslinger, denna direkta observation av ett viktigt och utbrett mångkroppsfenomen - som hittills bara kunde observeras indirekt - representerar en av de väsentliga styrkorna hos kvantsimulatorn:"I de syntetiska kvantsystemen har vi en ganska idealisk insikt om vad som händer i naturen - i fasta ämnen och även i enstaka molekyler. Den direkta observationen av dynamiken i Goldstone- och Higgs -lägena i kvantsimulatorn fördjupar vår förståelse av vad som händer i sådana naturliga system. "