Vår moderna förståelse av den fysiska världen bygger på mätteorier:matematiska modeller från teoretisk fysik som beskriver växelverkan mellan elementarpartiklar (som elektroner eller kvarkar) och förklarar kvantmekaniskt tre av naturens grundläggande krafter:de elektromagnetiska, svaga och starka krafter. Den fjärde grundläggande kraften, gravitationen, beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori, som, även om den ännu inte förstås i kvantregimen, också är en mätteori. Gauge-teorier kan också användas för att förklara det exotiska kvantbeteendet hos elektroner i vissa material eller de felkorrigeringskoder som framtida kvantdatorer kommer att behöva för att fungera tillförlitligt, och är den moderna fysikens arbetshäst.

För att bättre förstå dessa teorier är en möjlighet att realisera dem med hjälp av artificiella och mycket kontrollerbara kvantsystem. Denna strategi kallas kvantsimulering och utgör en speciell typ av kvantberäkning. Det föreslogs först av fysikern Richard Feynman på 80-talet, mer än femton år efter att ha tilldelats Nobelpriset i fysik för sitt banbrytande teoretiska arbete med mätteorier.

Kvantsimulering kan ses som ett kvant-LEGO-spel där experimentella fysiker ger verklighet åt abstrakta teoretiska modeller. De bygger dem i laboratoriet "kvanttegel för kvanttegel", med mycket välkontrollerade kvantsystem som ultrakalla atomer eller joner. Efter att ha satt ihop en kvant LEGO-prototyp för en specifik modell kan forskarna mäta dess egenskaper mycket exakt i labbet och använda deras resultat för att bättre förstå teorin som den härmar. Under det senaste decenniet har kvantsimulering intensivt utnyttjats för att undersöka kvantmaterial. Men att spela kvant-LEGO-spelet med mätteorier är i grunden mer utmanande. Hittills har bara den elektromagnetiska kraften kunnat undersökas på detta sätt.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Nature , ICFO:s experimentella forskare Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri och Cesar Cabrera, ledda av ICREA Prof. vid ICFO Leticia Tarruell, i samarbete med Alessio Celi, en teoretisk forskare från Talangprogrammet vid det autonoma universitetet i Barcelona, kunde simulera en annan mätteori än elektromagnetism för första gången med hjälp av ultrakalla atomer.

En mätteori för mycket tunga fotoner

Teamet satte sig för att i laboratoriet realisera en mätteori som tillhör klassen topologiska mätteorier, som skiljer sig från klassen av dynamiska mätteorier som elektromagnetism tillhör.

I gauge theory-språket uppstår den elektromagnetiska kraften mellan två elektroner när de byter ut en foton:en ljuspartikel som kan fortplanta sig även när materia är frånvarande. Men i tvådimensionella kvantmaterial som utsätts för mycket starka magnetfält, beter sig fotonerna som utbyts av elektronerna som om de vore extremt tunga och kan bara röra sig så länge de är fästa vid materia.

Som ett resultat har elektronerna mycket speciella egenskaper:de kan bara strömma genom materialets kanter, i en riktning som bestäms av magnetfältets orientering, och deras laddning blir tydligen fraktionerad. Detta beteende är känt som den fraktionerade kvanthalleffekten och beskrivs av Chern-Simons gauge-teorin (uppkallad efter matematikerna som utvecklade ett av dess nyckelelement). Beteendet hos elektronerna begränsade till en enda kant av materialet bör också beskrivas av en mätteori, i detta fall kallad kiral BF, som föreslogs på 90-talet men som inte realiserades i ett laboratorium förrän ICFO och UAB-forskarna drog ut den av frysen.

Ett ultrakallt moln som inte beter sig som sin spegelbild

För att ge verklighet åt denna topologiska mätteori och simulera den i sitt experiment använde teamet ett moln av atomer som kyldes ner till temperaturer ungefär en miljarddels grad över absolut noll. Som atomarter valde de kalium, eftersom en av dess isotoper har två tillstånd som interagerar med olika styrkor och kan användas som kvanttegelstenar för att konstruera den kirala BF-mätarteorin. De sken sedan laserljus för att kombinera de två tillstånden till en enda ny.

Denna teknik, som kallas att "klä atomerna med ljus", fick dem att förvärva speciella interaktioner vars styrka och tecken berodde på molnets hastighet. Slutligen skapade de en optisk vågledare som skulle begränsa atomernas rörelse till en linje och använde ytterligare lasrar för att sparka molnet och få det att röra sig med olika hastigheter längs det.

Under normala förhållanden skulle att låta atomerna utvecklas fritt i vågledaren ha resulterat i att molnet expanderade. Men med omklädningslampan tänd visade bilderna på atomerna tagna i laboratoriet ett helt annat beteende.

Som Ramon Ramos förklarar, "i vårt system, när atomerna rör sig till höger är deras interaktioner attraktiva och upphäver beteendet hos atomerna som försöker expandera. Så vad du faktiskt ser är att formen på molnet förblir densamma. I tekniska ord, vi insåg en soliton. Men om atomerna rör sig åt vänster expanderar dessa atomer som vanlig gas."

Observationen av atomer som beter sig annorlunda när de rör sig i motsatta riktningar visar att systemet är kiralt, det vill säga skiljer sig från dess spegelbild. "När vi för första gången observerade effekten av kirala interaktioner i vårt atommoln försökte vi inte simulera en mätteori. Men uppgifterna var så vackra och spännande att vi kände att vi verkligen behövde förstå dess innebörd bättre. Det fick mig att helt ändra forskningsplanerna för teamet, säger Leticia Tarruell.

Teamet kom snabbt på att deras observationer var kopplade till en teoretisk artikel publicerad tio år tidigare, som föreslog att använda en nästan identisk uppställning för att studera en modifierad typ av elektromagnetism. Resultaten av experimentet verkade dock aldrig överensstämma med deras förväntningar. Som Craig Chisholm påminner om verkade till en början "resultaten som vi fick inte alls överensstämma med någon av teorierna. Utmaningen var att förstå vilken regim du måste vara i för att faktiskt se den korrekta effekten komma från rätt plats och eliminera effekten som kommer från fel ställe".

För experimentteamet var innebörden av den modifierade elektromagnetismen som nämns i tidningen också mycket oklar. Den citerade matematisk fysikpapper från 90-talet, som etablerade sambandet med mätteorierna som användes för att beskriva den fraktionerade kvanthalleffekten. Men, som Tarruell säger, "för experimentella atomfysiker som oss var innehållet i dessa verk mycket svårt att förstå, eftersom de var skrivna på ett matematisk fysikspråk som var helt annorlunda än vårt. Det var verkligen frustrerande att veta att svaret till våra frågor fanns där, men vi kunde inte förstå det! Det var då vi bestämde oss för att vi behövde ta med en teoretiker i bilden."

Ett mycket givande samarbete mellan experiment och teori

För teoretisk fysiker Alessio Celi, som hade arbetat i många år med högenergifysik och gravitation innan han gick över till kvantsimulering, var det lätt att läsa de ursprungliga uppsatserna för mätteori. Samtidigt kunde han förstå regimen där experimenten kunde utföras, och deras utmaningar. Han satte sig ner med experimentteamet och kom efter flera diskussioner fram till en modell som korrekt kunde förklara experimentresultaten.

Som han förklarar, "huvudproblemet vi hade var att komma in i rätt ram. När man väl visste var man skulle leta blev det ett enkelt problem att lösa." Anmärkningsvärt nog fanns det ett system av parametrar där denna modell var exakt den topologiska mätteorin som föreslogs 30 år tidigare för att beskriva elektronernas beteende vid kanterna av fraktionerade kvanthallmaterial.

"Jag tror att det här projektet visar oss styrkan i tvärvetenskapliga samarbeten. Att kombinera experimentella verktyg för ultralågtemperaturfysik och teoretiska verktyg från högenergifysik har gjort oss alla till bättre fysiker, och resulterat i den första kvantsimuleringen av en topologisk mätteori." avslutar Tarruell.

Teamet är redan inställt på att utforska de nya forskningsriktningarna som öppnats av detta projekt. Deras mål är nu att försöka utöka experimenten och teorin från en linje till ett plan, vilket skulle göra det möjligt för dem att observera den fraktionerade kvanthalleffekten utan behov av ett kvantmaterial. Detta skulle ge tillgång till exotiska kvasipartiklar, kallade anyoner, som i framtiden skulle kunna användas för mer robusta former av kvantberäkning. + Utforska vidare

Forskare uppnår första kvantsimulering av baryoner