Unser räumliches Vorstellungsvermögen reicht nicht über die vertrauten drei Dimensionen hinaus, aber das hindert Wissenschaftler nicht daran, mit dem zu spielen, was dahinter liegt.
Physiker der Rice University verschieben in neuen Experimenten räumliche Grenzen. Sie haben gelernt, Elektronen in gigantischen Rydberg-Atomen mit solcher Präzision zu steuern, dass sie „synthetische Dimensionen“ erzeugen können, wichtige Werkzeuge für Quantensimulationen.
Das Rice-Team entwickelte eine Technik, um die Rydberg-Zustände von ultrakalten Strontiumatomen durch Anlegen resonanter elektrischer Mikrowellenfelder zu manipulieren, um viele Zustände miteinander zu koppeln. Ein Rydberg-Zustand tritt auf, wenn ein Elektron im Atom energetisch in einen hoch angeregten Zustand versetzt wird, wodurch seine Umlaufbahn überdimensioniert wird, um das Atom tausendmal größer als normal zu machen.
Ultrakalte Rydberg-Atome liegen etwa ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Durch die präzise und flexible Manipulation der Elektronenbewegung koppelten die Forscher der Rice Quantum Initiative gitterartige Rydberg-Niveaus auf eine Weise, die Aspekte realer Materialien simuliert. Die Techniken könnten auch dazu beitragen, Systeme zu realisieren, die im realen dreidimensionalen Raum nicht erreicht werden können, und eine leistungsstarke neue Plattform für die Quantenforschung schaffen.
Die Reisphysiker Tom Killian, Barry Dunning und Kaden Hazzard, alle Mitglieder der Initiative, haben die Forschung zusammen mit dem Hauptautor und Doktoranden Soumya Kanungo in einem in veröffentlichten Artikel beschrieben Naturkommunikation. Die Studie baute auf früheren Arbeiten zu Rydberg-Atomen auf, die Killian und Dunning erstmals 2018 erforschten.
Rydberg-Atome besitzen viele regelmäßig beabstandete Quantenenergieniveaus, die durch Mikrowellen gekoppelt werden können, die es dem hoch angeregten Elektron ermöglichen, sich von Niveau zu Niveau zu bewegen. Die Dynamik in dieser „synthetischen Dimension“ ist mathematisch äquivalent zu einem Teilchen, das sich zwischen Gitterplätzen in einem echten Kristall bewegt.
„In einem typischen High-School-Physikexperiment kann man Lichtemissionslinien von Atomen sehen, die Übergängen von einem Energieniveau zu einem anderen entsprechen“, sagte Hazzard, ein außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie, der die theoretische Grundlage für die Studie in mehreren vorangegangenen Jahren geschaffen hat Papiere. „Das kann man sogar mit einem sehr primitiven Spektrometer sehen: einem Prisma!
„Neu ist hier, dass wir jede Ebene als einen Ort im Weltraum betrachten“, sagte er. „Indem wir verschiedene Lichtwellenlängen einsenden, können wir Ebenen koppeln. Wir können die Ebenen wie Partikel aussehen lassen, die sich einfach zwischen Orten im Raum bewegen.
„Das ist mit Licht – oder elektromagnetischer Strahlung im Nanometerbereich – schwer zu erreichen, aber wir arbeiten mit Millimeterwellenlängen, was es technisch viel einfacher macht, Kopplungen zu erzeugen“, sagte Hazzard.
„Wir können die Wechselwirkungen, die Art und Weise, wie sich Teilchen bewegen, einrichten und die gesamte wichtige Physik eines viel komplizierteren Systems erfassen“, sagte Killian, Professor für Physik und Astronomie in Rice und Dekan der Wiess School of Natural Sciences.
„Das wirklich Aufregende wird sein, wenn wir mehrere Rydberg-Atome zusammenbringen, um interagierende Teilchen in diesem synthetischen Raum zu erzeugen“, sagte er. „Damit werden wir in der Lage sein, Physik zu machen, die wir auf einem klassischen Computer nicht simulieren können, weil es sehr schnell kompliziert wird.“
Die Forscher demonstrierten ihre Techniken, indem sie ein 1D-Gitter realisierten, das als Su-Schrieffer-Heeger-System bekannt ist. Um es herzustellen, verwendeten sie Laser, um Strontiumatome zu kühlen, und wandten Mikrowellen mit abwechselnd schwachen und starken Kopplungen an, um die richtige synthetische Landschaft zu schaffen. Ein zweiter Satz von Lasern wurde verwendet, um Atome zu einer Vielzahl von gekoppelten, hoch liegenden Rydberg-Zuständen anzuregen.
Das Experiment zeigte, wie sich Partikel durch das 1D-Gitter bewegen oder in einigen Fällen an den Rändern eingefroren werden, obwohl sie genug Energie haben, um sich zu bewegen, sagte Killian. Dabei handelt es sich um Materialeigenschaften, die topologisch beschrieben werden können.
„Es ist viel einfacher, die Kopplungsamplituden zu kontrollieren, wenn Millimeterwellen verwendet werden, um atomare Rydberg-Zustände zu koppeln“, sagte Kanungo. „Wenn wir dieses 1D-Gitter mit allen vorhandenen Kopplungen erreichen, können wir versuchen zu sehen, welche Dynamik sich aus der Anregung eines Rydberg-Elektrons in diesen synthetischen Raum ergeben würde.“
„Die Verwendung eines Quantensimulators ist so etwas wie die Verwendung eines Windkanals, um die kleinen, aber wichtigen Effekte zu isolieren, die Ihnen bei der komplizierteren Aerodynamik eines Autos oder Flugzeugs wichtig sind“, sagte Killian. „Das wird wichtig, wenn das System von der Quantenmechanik beherrscht wird, wo es kompliziert wird, zu beschreiben, was vor sich geht, sobald man mehr als ein paar Teilchen und ein paar Freiheitsgrade hat.
„Quantensimulatoren sind eine der niedrig hängenden Früchte, von denen die Leute denken, dass sie frühe, nützliche Werkzeuge sein werden, um aus Investitionen in die Quanteninformationswissenschaft herauszukommen“, sagte er und stellte fest, dass dieses Experiment Techniken kombinierte, die heute in Labors, die Atomforschung betreiben, ziemlich Standard sind Physik.
„Alle Technologien sind gut etabliert“, sagte er. „Man könnte sich sogar vorstellen, dass dies fast ein Black-Box-Experiment wird, das die Leute benutzen könnten, weil die einzelnen Teile sehr robust sind.“
SK Kanungo et al, Realisierung topologischer Randzustände mit Rydberg-Atom-Synthesedimensionen, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28550-y