Ett exotiskt fysiskt fenomen, involverar optiska vågor, syntetiska magnetfält, och tidsomkastning, har observerats direkt för första gången, efter årtionden av försök. Det nya fyndet kan leda till insikter om vad som kallas topologiska faser, och så småningom till framsteg mot feltoleranta kvantdatorer, säger forskarna.

Det nya fyndet involverar den icke-abeliska Aharonov-Bohm-effekten och rapporteras idag i tidskriften Vetenskap av MIT doktorand Yi Yang, MIT gästforskare Chao Peng (professor vid Peking University), MIT doktorand Di Zhu, Professor Hrvoje Buljan vid University of Zagreb i Kroatien, Francis Wright Davis professor i fysik John Joannopoulos vid MIT, Professor Bo Zhen vid University of Pennsylvania, och MIT professor i fysik Marin Soljacic.

Fyndet relaterar till mätfält, som beskriver omvandlingar som partiklar genomgår. Mätfält delas in i två klasser, känd som Abelian och icke-Abelian. Aharonov-Bohm-effekten, uppkallad efter de teoretiker som förutspådde det 1959, bekräftat att mätfält – utöver att vara ett rent matematiskt hjälpmedel – har fysiska konsekvenser.

Men observationerna fungerade bara i Abeliska system, eller de där mätfälten är kommutativa – det vill säga, de sker på samma sätt både framåt och bakåt i tiden. 1975, Tai-Tsun Wu och Chen-Ning Yang generaliserade effekten till den icke-abeliaska regimen som ett tankeexperiment. Ändå, det förblev oklart om det ens skulle vara möjligt att någonsin observera effekten i ett icke-abeliaskt system. Fysiker saknade sätt att skapa effekten i labbet, och saknade också sätt att upptäcka effekten även om den kunde produceras. Nu, båda dessa pussel har lösts, och de observationer som genomfördes framgångsrikt.

Effekten har att göra med en av de konstiga och kontraintuitiva aspekterna av modern fysik, det faktum att praktiskt taget alla grundläggande fysiska fenomen är tidsinvarianta. Det betyder att detaljerna i hur partiklar och krafter interagerar kan löpa antingen framåt eller bakåt i tiden, och en film om hur händelserna utvecklas kan köras i båda riktningarna, så det finns inget sätt att säga vilken som är den riktiga versionen. Men några exotiska fenomen bryter mot denna tidssymmetri.

Att skapa den abelska versionen av Aharonov-Bohm-effekterna kräver att man bryter tidsomkastningssymmetrin, en utmanande uppgift i sig, säger Soljacic. Men för att uppnå den icke-abeliska versionen av effekten krävs att man bryter denna tidsomkastning flera gånger, och på olika sätt, gör det till en ännu större utmaning.

För att producera effekten, forskarna använder fotonpolarisering. Sedan, de producerade två olika typer av tidsreversering. De använde fiberoptik för att producera två typer av mätfält som påverkade de optiska vågornas geometriska faser, först genom att skicka dem genom en kristall förspänd av kraftfulla magnetfält, och för det andra genom att modulera dem med tidsvarierande elektriska signaler, som båda bryter tidsomkastningssymmetrin. De kunde sedan producera interferensmönster som avslöjade skillnaderna i hur ljuset påverkades när det skickades genom det fiberoptiska systemet i motsatta riktningar, medurs eller moturs. Utan att bryta tids-reverseringsinvariansen, balkarna borde ha varit identiska, men istället, deras interferensmönster avslöjade specifika uppsättningar av skillnader som förutspått, visar detaljerna i den svårfångade effekten.

Originalet, Abelsk version av Aharonov-Bohm-effekten "har observerats med en serie experimentella försök, men den icke-abeliska effekten har inte observerats förrän nu, " säger Yang. Fyndet "låter oss göra många saker, " han säger, öppnar dörren till en mängd olika potentiella experiment, inklusive klassiska och kvantfysiska regimer, för att utforska variationer av effekten.

Det experimentella tillvägagångssättet som utarbetats av detta team "kan inspirera till förverkligandet av exotiska topologiska faser i kvantsimuleringar med fotoner, polaritoner, kvantgaser, och supraledande qubits, " säger Soljacic. För fotonik själv, detta kan vara användbart i en mängd olika optoelektroniska tillämpningar, han säger. Dessutom, de icke-abeliska mätfälten som gruppen kunde syntetisera producerade en icke-abelsk bärfas, och "i kombination med interaktioner, det kan potentiellt en dag fungera som en plattform för feltoleranta topologiska kvantberäkningar, " han säger.

Vid denna tidpunkt, experimentet är främst av intresse för grundläggande fysikforskning, med syftet att få en bättre förståelse för några grundläggande grunder för modern fysikalisk teori. De många möjliga praktiska tillämpningarna "kommer att kräva ytterligare genombrott framöver, " säger Soljacic.

För en sak, för kvantberäkning, experimentet skulle behöva skalas upp från en enda enhet till troligen ett helt gitter av dem. Och istället för strålarna av laserljus som användes i deras experiment, det skulle kräva att man arbetade med en källa av enskilda fotoner. Men även i sin nuvarande form, systemet skulle kunna användas för att utforska frågor inom topologisk fysik, som är ett mycket aktivt område av aktuell forskning, säger Soljacic.