Monika Aidelsburger använder en speciell typ av optiskt gitter för att simulera kvantfenomen i många kroppar som annars inte är tillgängliga för experimentell utforskning. Hon har nu tilldelats ett ERC -startbidrag för att driva detta arbete.

Under det senaste decenniet har forskare under ledning av professor Immanuel Bloch, som innehar en ordförande i experimentell fysik vid LMU, har utvecklat flera tekniker och strategier för att undersöka kvantvärldens hemligheter. Mycket framsteg har gjorts, men många fenomen av intresse förblir outforskade, och teoretiska scheman är ofta svåra att testa. Blochs team är främst intresserade av kvantinteraktioner som kan modelleras med hjälp av ultrakylda gaser fångade i optiska galler som bildas av laserstrålar. Dr Monika Aidelsburger, ledare för en forskargrupp i Blochs avdelning, har nu tilldelats ett mycket välutrustat startbidrag av European Research Council (ERC) för att utvidga denna arbetslinje. Hennes mål är att använda ultrakylda ytterbiumatomer fångade i optiska galler för att simulera modeller för kvantbeteende i kondenserad materia på en skala som är tre storleksordningar större än i verkliga fasta ämnen.

Verkligen, Aidelsburger, som också är en del av Max Planck Institute for Quantum Optics, hoppas kunna ta denna strategi vidare, och använda den för att simulera 'gittertekniker', som beskriver grundläggande interaktioner mellan partiklar i termer av "mätfält". I dessa modeller, materiefält (ämnespartiklar) avbildas som punkter på ett fiktivt gitter, och kraftfälten som verkar på dem representeras av länkarna mellan dessa noder. Gittertekniksteorier är av grundläggande betydelse inom många grenar av kvantfysiken. De utgör inte bara grunden för standardmodellen för partikelfysik, de kan också tillämpas på fysiken som ligger till grund för beteendet hos starkt interagerande elektroner i fasta ämnen, och kan redogöra för viktiga fenomen inom kvantelektrodynamik. Därför, Aidelsburgers experimentella tillvägagångssätt för att simulera gittermätningsteorier i optiska gitter skulle ge en länk mellan klassisk och kvantfysik, och tillåta analoga simuleringar av fenomen som observerats i andra inställningar än fastfysik. Aidelsburgers forskning har hittills fokuserat på att simulera effekterna av magnetfält. "Detta beror på att magnetfält också kan beskrivas i termer av mätfält, "förklarar hon. Fysiker hoppas kunna utvidga dessa idéer och tillämpa dem på andra kvantmånga kroppsfenomen som förblivit i stort sett otillgängliga.

Två långlivade stater

Den experimentella plattformen är för närvarande under konstruktion och snart kommer de optiska borden i Aidelsburgers laboratorium att vara utrustade med noggrant placerade linser och speglar, lasrar och optiska fibrer. Kontrollerade manipulationer av ultrakylda atomer i optiska gitter har redan framgångsrikt använts för att sondera och simulera kvantfenomen som har observerats i kondenserade system. Dessa experiment utfördes under förhållanden där atomerna kan 'tunnla' mellan gitterplatser, även om deras kollektiva rörelser påverkas av gallerens globala parametrar. Förlängning av strategin till gitterteoretiska teorier kräver platsspecifik kontroll över atomernas rörelser i gitteret.

Att sätta upp ett sådant experiment är extremt krävande, eftersom de symmetrier som är inneboende för att mäta teorier måste exakt återges. "En framgångsrik implementering kräver användning av helt nya tillvägagångssätt, "säger Aidelsburger." Detta medför en hög risk, men att ha en fungerande kvantsimulator av en sådan modell skulle utgöra ett enormt framsteg. "Blochs team har lärt sig mycket om hur man håller kvantgaser vid temperaturer endast en smidgen över absolut noll, generera och manipulera optiska gitter och kontrollera rörelserna hos atomer i olika element, såsom rubidium, natrium och litium, för att bara nämna några. Aidelsburgers experiment kommer att använda yterrbium (Yb) atomer, eftersom de uppvisar två långlivade kvanttillstånd, vilket gör dem särskilt användbara för de planerade simuleringarna. Stark fokuserade laserstrålar kommer att användas för att specifikt styra atomernas rörelser i gallret. I simuleringen, de två atomtillstånden kommer att spela både materielpartiklarnas roller och partiklarna som förmedlar de krafter som verkar på dem.

Det är tekniskt möjligt att koppla ihop rörelsen för de två långlivade tillstånden för Yb-atomer i gallret. "Denna lokala koppling gör att vi för första gången experimentellt kan representera de grundläggande byggstenarna i enkla gitterteoretiska teorier i en experimentell miljö, "säger Aidelsburger. Dessutom, tekniken kan enkelt utvidgas till större gitterstrukturer och högre dimensioner. Detta skulle göra det möjligt för forskare att simulera gittermätningsteorier som spelar en viktig roll i både kondenserad fysik och kvantelektrodynamik med hjälp av dragbara experimentella förfaranden. Det skulle vara en verkligt banbrytande prestation. "Vår strategi öppnar helt nya experimentella möjligheter att utforska vissa fenomen och utveckla idéer för nya teorier, säger Aidelsburger.

Finjusteringarna

Möjligheten att kunna arbeta de närmaste åren på Immanuel Blochs avdelning som professor i fastighetsspår var en anledning till att hon bestämde sig för att återvända till München efter sin besvärjelse som postdoc vid Collège de France i Paris. "Unga forskare behöver sådana långsiktiga perspektiv, " hon säger, "särskilt om de vill utföra en så komplex och krävande experimentuppgift." Design och konstruktion av ett nytt system kan ta upp till tre år. Man börjar med enkla modeller, och frågar om deras simulering ger resultat som överensstämmer med de som erhållits med teori, eller är kompatibla med förutsägelser härledda med väletablerade numeriska metoder, som Monte Carlo -simuleringar. Dessa tester fungerar som en kalibreringsskala för experiment - och låter forskare justera förhållandena på lämpligt sätt och gradvis öka experimentens komplexitet. Dessutom, de experimentella systemen måste ständigt kontrolleras för att säkerställa att de ger en korrekt beskrivning av de fenomen som de vill beskriva. "Det är här nära samarbete med teoretiker inom andra områden är särskilt viktigt, "säger Aidelsburger." Riskerna är stora, eftersom detta är i stort sett okänt territorium för oss alla. Vi måste sammanföra väldigt olika fysikområden. Det är min innerliga förhoppning att de inledande experimenten med enkla modeller kommer att ge resultat som finner ett eko i olika discipliner. "

I de enklaste modellerna, Yb -atomerna kan anta endera av två definierade tillstånd, grundtillståndet och ett enda metastabilt upphetsat tillstånd. Målet är att successivt lägga till ytterligare tillstånd i systemet, så att mer komplexa interaktioner kan implementeras. Detta skulle vara ett viktigt steg mot det slutliga målet att använda ultrakylda atomer för att simulera den starka kärnkraften - interaktionen mellan kvarker (de grundläggande beståndsdelarna i atomkärnor) och gluoner (kraftpartiklarna som håller atomkärnor ihop). Den senare uppgiften kommer att kräva implementering av mycket mer komplexa gitterteoretiska teorier.

Enskilda celler i tvådimensionella optiska gitter bestående av 100 × 100 atomer kan nu adresseras och deras beläggning kontrolleras, så att dynamiska effekter kan observeras i detalj. Således, det är möjligt att avgöra om en viss gittercell är upptagen under specifika förhållanden eller inte, och tillståndet för varje atom i gallret kan sonderas praktiskt taget i realtid. Med dessa prestationer under bältet, fysiker är på god väg att förverkliga idén om en kvantsimulator som den berömda amerikanska fysikern Richard Feynman formulerade på 1980 -talet. "Vi hoppas att vårt upplägg kommer att bana vägen för att experimentellt undersöka grundläggande frågor inom kvantkromodynamik, "säger Aidelsburger - innan han lägger till ett eftertryckligt kval:" Men vi är fortfarande i början. "