Fysiker vid ETH Zürich har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att koppla kvantiserade mätfält till ultrakyld materia. Metoden kan vara grunden för en mångsidig plattform för att hantera problem som sträcker sig från kondenserad materia till högenergifysik.

Interaktionen mellan fält och materia är ett återkommande tema genom hela fysiken. Klassiska fall som banorna för en himmelrik som rör sig i andras gravitation eller rörelsen av en elektron i ett magnetfält är extremt väl förstådda, och förutsägelser kan göras med häpnadsväckande noggrannhet. Dock, när kvantkaraktären hos de involverade partiklarna och fälten måste beaktas uttryckligen, då blir situationen snabbt komplex. Och om, dessutom, fältet beror på tillståndet hos partiklarna som utvecklas i det, då kan beräkningar flyttas utom räckhåll även för dagens mest kraftfulla datorer.

Begränsningarna för att utforska regimer för dynamisk interaktion mellan fält och materia hindrar framsteg inom områden som sträcker sig från kondenserad fysik till högenergifysik. Men det finns ett alternativt tillvägagångssätt:I stället för att beräkna dynamiken, simulera dem. Berömt, för planetsystem, mekaniska modeller som kallas orreries byggdes långt innan digitala datorer utvecklades. Under de senaste åren har forskare har utvecklat så kallade kvantsimulatorer där den okända dynamiken i ett kvantsystem emuleras med en annan, mer kontrollerbar. Som de rapporterar idag i tidningen Naturfysik , Frederik Görg och kollegor i gruppen av Tilman Esslinger vid Institutionen för fysik i ETH Zürich har nu gjort betydande framsteg mot kvantsimulatorer som kan användas för att ta itu med allmänna klasser av problem där dynamik i materia och fält är kopplade.

Svårt att mäta resultat

Görg et al. tittade inte direkt på gravitationella eller elektromagnetiska fält, men vid så kallade mätfält. Detta är hjälpfält som vanligtvis inte är direkt observerbara i experiment, men desto starkare som en konsekvent ram för den matematiska behandlingen av interaktionerna mellan partiklar och fält. Som ett centralt begrepp inom fysik, mätfält erbjuder en unik väg för att förstå krafter - den elektromagnetiska kraften såväl som de som håller ihop subatomära partiklar. Följaktligen, det finns ett stort intresse för kvantsimuleringar av mätfält, som kan ge ny insikt i situationer som för närvarande inte kan utforskas i beräkningar eller datasimuleringar.

En av de för närvarande ledande plattformarna för simulering av komplexa kvantsystem baseras på atomer som kyls till temperaturer nära absolut noll och fångas i gitterstrukturer skapade av laserljus. Ett stort framsteg under de senaste åren har varit insikten att atomerna kan användas för att efterlikna beteendet hos elektroner i ett magnetfält, även om atomerna inte har någon elektrisk laddning. Nyckeln för att uppnå detta är användningen av externa kontrollparametrar för att styra kvanttunnelprocessen genom vilken atomerna rör sig mellan intilliggande platser i det optiska gitteret. Genom att anpassa den komplexa fasen som kvantpartiklarna plockar upp i en tunnelhändelse på lämpligt sätt - känd som Peierls -fasen - kan de neutrala atomerna få dem att uppträda exakt som laddade partiklar som rör sig i ett magnetfält. Den konstruerade dynamiken i dessa syntetiska mätfält kan jämföras med den hos klassiska orrerier, där modellplaneterna rör sig som om de utsattes för en kraftig dragkraft från en central kropp, efterlikna beteendet hos riktiga planeter.

Skakar upp fältet

Esslinger-gruppen och andra har använt ultrakylda atomplattformen tidigare för att skapa konstgjorda mätfält som härrör från komplexa tunnelfaser. Men hittills, dessa konstruerade fält var i grunden klassiska, och inkluderade inte bakåtverkan från atomerna till mätfältet. Därav spänningen när Görg och hans medarbetare nu presenterar ett flexibelt sätt att uppnå koppling mellan atomer och mätfält. De föreslår - och implementerade - ett förfarande för att göra Peierls -fasen beroende av hur atomerna fördelas i gallret. När fördelningen ändras som en följd av interaktionen med mätfältet, själva mätfältet ändras. Detta är som om orrery skulle påskynda eller bromsa beroende på planetkonstellationen (som inte behövs för att modellera enkel himmelsk mekanik, eftersom interaktionen mellan planeter försummas). När det gäller en kvantsimulator för kvantmätarfält, dock, interaktionen mellan partiklarna är en viktig ingrediens.

I de experiment som nu rapporterats, ETH -fysikerna skapade ett optiskt gitter som består av 'dimerer, "var och en tillverkad av två angränsande platser där fermionatomer kan bo antingen individuellt eller i par (se figuren). Tunneln mellan dimerns platser styrs genom att skaka gallret vid två olika frekvenser med en piezoelektrisk ställdon. Frekvenserna och faserna av moduleringen väljs så att Peierls -fasen mellan platser beror på om en atom delar sin dimerplats med en annan atom med motsatt snurr eller inte (se animationen).

Allmänhet spelar roll

Steget för att konstruera mätfält som är kopplade till ultrakallt material är viktigt. Ultrakylda atomer i optiska gitter är redan etablerade som en mångsidig plattform för kvantsimuleringar, inklusive emulering av komplexa elektroniska fenomen som förekommer i fasta material. Det nuvarande arbetet av Görg et al., tillsammans med relaterade senaste framsteg från andra grupper, lovar att inom en inte alltför avlägsen framtid kan också mer komplexa kvantmätarfält hanteras, i synnerhet de som förekommer i högenergifysik och utmanar nuvarande klassiska simuleringsmetoder.

En tydlig styrka i tillvägagångssättet av Görg et al. är att den kan användas för att konstruera en mängd olika kvantiserade mätfält, bortom det specifika scenario som de utforskade experimentellt i det just publicerade papperet, som de visar baserat på teoretiska överväganden. Och som arbetet också visar utsökt experimentell kontroll över ett mycket avstämbart atomkroppssystem, det finns nu den tydliga och spännande utsikten för ett modernt apotek som inte ger insikt om rörelser på himlen, men djupt in i kvantvärlden.