Quantum gauge teorier är matematiska konstruktioner som vanligtvis används av fysiker för att beskriva subatomära partiklar, deras tillhörande vågfält och interaktionerna mellan dem. Dynamiken som beskrivs av dessa teorier är svår att beräkna, Ändå kan en effektiv emulering av dem i labbet leda till värdefull ny insikt och upptäckter.

I en nyligen genomförd studie, ett team av forskare vid ETH Zürichs Institute for Quantum Electronics implementerade framgångsrikt en grundläggande ingrediens för simulering av kvantmätarteorier i ett laboratorieexperiment. Deras förhoppning är att genom att simulera kvantsystem i en mycket kontrollerad miljö, de kommer att samla intressanta observationer och bredda sin förståelse av många kroppssystem (dvs. system med många partiklar som interagerar med varandra).

"Vanligtvis, vårt arbete är inspirerat av fenomen inom fasta tillståndets fysik såsom starkt korrelerade faser av elektroner i komplexa material, "Tilman Esslinger, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I vårt nuvarande arbete, dock, vi ville utöka omfattningen av vår experimentella plattform (dvs. ultrakalla atomer i optiska gitter) för att undersöka en ny uppsättning fenomen som förekommer inom högenergi- och kondenserad materiens fysik. Målet var att visa att det är möjligt att konstruera mätfält i vår uppställning som är dynamiska kvantfria frihetsgrader på grund av deras koppling till ett materiafält."

Mätfält är en viktig komponent i flera kvantfältsteorier, inklusive kvantelektrodynamik och kromodynamik. De beskriver en stor klass av fenomen inom olika fysikområden, såsom elementarpartikelfysik, kondenserad materiens fysik och kvantinformationsteori. Genom att implementera mätfält i kalla atomuppsättningar skulle därför forskare kunna undersöka några av dessa fenomen i labbet.

Det tillvägagångssätt som Esslinger och hans kollegor använder i sin studie är baserat på en teknik som kallas Floquet engineering. Denna metod används för att modulera ett kvantsystem periodiskt över tiden, möjliggör implementering av nya fysiska modeller under experimentet som inte är tillgängliga i statiska system.

I deras experiment, forskarna kylde ner fermioniska kaliumatomer till temperaturer nära absolut noll. I denna regim, kvanteffekter dominerar partiklarnas beteende. Detta gjorde det möjligt för dem att studera dessa effekter i en mycket kontrollerbar miljö. Senare, Esslinger och hans kollegor laddade de kylda atomerna i en konstgjord kristall bestående av laserljus, därigenom simulerar specifika beteenden, till exempel, elektroner i ett material i fast tillstånd.

"För att konstruera de densitetsberoende Peierls faserna, vi använde ett Floquet-tillvägagångssätt och skakade det optiska gittret i en riktning, "Frederik Görg, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Detta gjorde det möjligt för oss att kontrollera den kvantmekaniska tunnlingsprocessen för atomerna mellan närliggande platser i gittret."

Genom att driva systemet vid två distinkta frekvenser med en relativ fas, Esslinger och hans kollegor kunde åstadkomma en komplext värderad tunnling som inkluderade en Peierls-fas. Som ett resultat, atomerna som användes i deras experiment började bete sig som om de exponerades för ett syntetiskt mätfält.

"Eftersom skakfrekvenserna är valda för att vara resonanta med interaktionen mellan partiklarna, Peierls-fasen och därför det tillhörande mätfältet beror på atomkonfigurationen i gittret, Görg förklarade. "Detta leder till en bakåtverkansmekanism mellan materien och mätfältet:Atomer kommer att börja röra sig på grund av närvaron av mätfältet, vilket i sin tur kommer att ändra själva mätfältet."

I deras studie, forskarna utvecklade ett mätschema på en individuell länk i gittret. Genom att använda detta schema, de mätte Peierls-fasen som atomerna plockar upp när de tunnlar ovanpå en andra atom och jämförde den med fasen som de plockar upp när de hoppar på en tom plats.

Forskarna observerade att det fanns en signifikant skillnad mellan dessa två faser. Detta tyder på att mätfältet som är associerat med dessa Peierls faser beror på ockupationen av gitterplatserna – med andra ord, den är densitetsberoende.

"Ett så starkt korrelerat system som består av atomer kopplade till ett dynamiskt mätfält är mycket svårt att tackla med numeriska simuleringar på klassiska datorer, ", sa Görg. "Vårt arbete är det första steget mot en experimentell kvantsimulering av gittermåttsteorier, som kan kasta nytt ljus över dåligt förstådda fenomen inom kondenserad materia och högenergifysik."

Den nyligen genomförda studien som genomfördes av detta team av forskare introducerar en ny mångsidig metod för att implementera och simulera olika klasser av densitetsberoende mätfält. I sista hand, tekniken de föreslog skulle kunna bana väg för spännande nya fysikobservationer och teorier. I deras framtida arbete, forskarna planerar att använda den för att studera samspelet mellan dynamiska mätfält och atomer i många kroppssystem implementerade i ett utökat optiskt gitter.

"Vi har redan visat i tidigare arbete att vi har en mycket god kontroll över drivna flerkroppssystem och att vi kan mildra problem i samband med interagerande Floquet-system såsom uppvärmning, ", sa Esslinger. "Tillsammans med de densitetsberoende Peierls faserna som visas i denna artikel, vårt experiment ger en mångsidig plattform för att simulera och förstå starkt korrelerade faser av kvantmätarteorier."

© 2019 Science X Network