Ultrakalte Atome, die mit Licht bekleidet sind, simulieren Eichtheorien

Unser modernes Verständnis der physikalischen Welt basiert auf Eichtheorien: mathematische Modelle aus der theoretischen Physik, die die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen (wie Elektronen oder Quarks) beschreiben und drei der fundamentalen Kräfte der Natur quantenmechanisch erklären: die elektromagnetische, die schwache und die starke Kräfte. Die vierte fundamentale Kraft, die Gravitation, wird durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die zwar im Quantenregime noch nicht verstanden wird, aber auch eine Eichtheorie ist. Eichtheorien können auch verwendet werden, um das exotische Quantenverhalten von Elektronen in bestimmten Materialien oder die Fehlerkorrekturcodes zu erklären, die zukünftige Quantencomputer benötigen werden, um zuverlässig zu arbeiten, und die das Arbeitspferd der modernen Physik sind.

Um diese Theorien besser zu verstehen, besteht eine Möglichkeit darin, sie mit künstlichen und hochgradig kontrollierbaren Quantensystemen zu realisieren. Diese Strategie wird als Quantensimulation bezeichnet und stellt eine besondere Art des Quantencomputings dar. Es wurde erstmals in den 80er Jahren vom Physiker Richard Feynman vorgeschlagen, mehr als fünfzehn Jahre nachdem ihm für seine bahnbrechenden theoretischen Arbeiten zu Eichtheorien der Nobelpreis für Physik verliehen worden war.

Die Quantensimulation kann als ein Quanten-LEGO-Spiel angesehen werden, bei dem Experimentalphysiker abstrakten theoretischen Modellen Realität verleihen. Sie bauen sie im Labor „Quantenstein für Quantenstein“ und verwenden dabei sehr gut kontrollierte Quantensysteme wie ultrakalte Atome oder Ionen. Nach dem Zusammenbau eines Quanten-LEGO-Prototyps für ein bestimmtes Modell können die Forscher seine Eigenschaften im Labor sehr genau messen und ihre Ergebnisse verwenden, um die Theorie, die es nachahmt, besser zu verstehen. Während des letzten Jahrzehnts wurde die Quantensimulation intensiv genutzt, um Quantenmaterialien zu untersuchen. Das Spielen des Quanten-LEGO-Spiels mit Eichtheorien ist jedoch grundlegend schwieriger. Bisher konnte auf diese Weise nur die elektromagnetische Kraft untersucht werden.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in NaturICFO-Experimentalforscher Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri und Cesar Cabrera, geleitet von ICREA Prof. am ICFO Leticia Tarruell, in Zusammenarbeit mit Alessio Celi, einem theoretischen Forscher des Talent-Programms der Autonomen Universität Barcelona, konnten mit ultrakalten Atomen erstmals eine andere Eichtheorie als den Elektromagnetismus simulieren.

Eine Eichtheorie für sehr schwere Photonen

Das Team machte sich daran, im Labor eine Eichtheorie zu realisieren, die zur Klasse der topologischen Eichtheorien gehört und sich von der Klasse der dynamischen Eichtheorien unterscheidet, zu der der Elektromagnetismus gehört.

In der Sprache der Eichtheorie entsteht die elektromagnetische Kraft zwischen zwei Elektronen, wenn sie ein Photon austauschen: ein Lichtteilchen, das sich auch ohne Materie ausbreiten kann. In zweidimensionalen Quantenmaterialien, die sehr starken Magnetfeldern ausgesetzt sind, verhalten sich die von den Elektronen ausgetauschten Photonen jedoch so, als wären sie extrem schwer und können sich nur bewegen, solange sie an Materie haften.

Dadurch haben die Elektronen sehr eigenartige Eigenschaften: Sie können nur durch die Kanten des Materials fließen, in einer Richtung, die durch die Ausrichtung des Magnetfelds vorgegeben ist, und ihre Ladung wird scheinbar gebrochen. Dieses Verhalten ist als fraktionierter Quanten-Hall-Effekt bekannt und wird durch die Chern-Simons-Eichtheorie beschrieben (benannt nach den Mathematikern, die eines ihrer Schlüsselelemente entwickelt haben). Das Verhalten der Elektronen, die auf eine einzelne Kante des Materials beschränkt sind, sollte auch durch eine Eichtheorie beschrieben werden, in diesem Fall als chirales BF bezeichnet, die in den 90er Jahren vorgeschlagen, aber nicht in einem Labor realisiert wurde, bis die ICFO- und UAB-Forscher sie herauszogen des Gefrierschranks.

Eine ultrakalte Wolke, die sich nicht wie ihr Spiegelbild verhält

Um diese topologische Eichtheorie zu verwirklichen und in ihrem Experiment zu simulieren, verwendete das Team eine Atomwolke, die auf Temperaturen von etwa einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt war. Als Atomspezies wählten sie Kalium, weil eines seiner Isotope zwei Zustände hat, die unterschiedlich stark wechselwirken und als Quantenbausteine ​​zur Konstruktion der chiralen BF-Eichtheorie verwendet werden können. Dann strahlten sie Laserlicht aus, um die beiden Zustände zu einem einzigen neuen zu kombinieren.

Diese Technik, die als „Bekleiden der Atome mit Licht“ bezeichnet wird, brachte sie dazu, eigenartige Wechselwirkungen anzunehmen, deren Stärke und Vorzeichen von der Geschwindigkeit der Wolke abhingen. Schließlich schufen sie einen optischen Wellenleiter, der die Bewegung der Atome auf eine Linie beschränkte, und verwendeten zusätzliche Laser, um die Wolke zu treten und sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten daran entlang bewegen zu lassen.

Unter normalen Bedingungen hätte die freie Entwicklung der Atome im Wellenleiter zu einer Ausdehnung der Wolke geführt. Bei eingeschaltetem Verbandslicht zeigten die im Labor aufgenommenen Bilder der Atome jedoch ein völlig anderes Verhalten.

Wie Ramon Ramos erklärt: „Wenn sich die Atome in unserem System nach rechts bewegen, sind ihre Wechselwirkungen anziehend und heben das Verhalten der Atome auf, die versuchen, sich auszudehnen. Was Sie also tatsächlich sehen, ist, dass die Form der Wolke gleich bleibt technischen Worten, wir haben ein Soliton realisiert. Aber wenn sich die Atome nach links bewegen, dehnen sich diese Atome aus wie normales Gas.“

Die Beobachtung von Atomen, die sich bei Bewegung in entgegengesetzte Richtungen unterschiedlich verhalten, zeigt, dass das System chiral ist, also anders als sein Spiegelbild. „Als wir zum ersten Mal den Effekt chiraler Wechselwirkungen in unserer Atomwolke beobachteten, versuchten wir nicht, eine Eichtheorie zu simulieren. Aber die Daten waren so schön und faszinierend, dass wir das Gefühl hatten, dass wir ihre Bedeutung wirklich besser verstehen mussten veranlasste mich, die Forschungspläne des Teams komplett zu ändern“, sagt Leticia Tarruell.

Das Team fand schnell heraus, dass ihre Beobachtungen mit einem zehn Jahre zuvor veröffentlichten theoretischen Artikel in Verbindung standen, in dem vorgeschlagen wurde, einen fast identischen Aufbau zu verwenden, um eine modifizierte Art von Elektromagnetismus zu untersuchen. Die Ergebnisse des Experiments schienen jedoch nie mit ihren Erwartungen übereinzustimmen. Wie Craig Chisholm sich erinnert, „schienen die Ergebnisse, die wir erzielten, anfangs überhaupt nicht mit der Theorie übereinzustimmen. Die Herausforderung bestand darin, zu verstehen, in welchem ​​​​Regime man sich befinden musste, um tatsächlich zu sehen, dass die richtige Wirkung vom richtigen Ort und zum richtigen Ort kommt eliminieren Sie den Effekt, der von der falschen Stelle kommt“.

Für das Experimentalteam war die Bedeutung des in der Arbeit erwähnten modifizierten Elektromagnetismus ebenfalls sehr unklar. Es zitiert mathematisch-physikalische Arbeiten aus den 90er Jahren, die den Zusammenhang mit den Eichtheorien herstellten, die zur Beschreibung des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts verwendet wurden. Wie Tarruell jedoch sagt: „Für experimentelle Atomphysiker wie uns war der Inhalt dieser Arbeiten sehr schwer zu verstehen, weil sie in einer mathematischen Physiksprache geschrieben waren, die sich völlig von unserer unterscheidet. Es war wirklich frustrierend, diese Antwort zu kennen zu unseren Fragen war da, aber wir konnten es nicht verstehen! Da entschieden wir, dass wir einen Theoretiker ins Spiel bringen mussten.“

Eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie

Für den theoretischen Physiker Alessio Celi, der viele Jahre an Hochenergiephysik und Gravitation gearbeitet hatte, bevor er zur Quantensimulation wechselte, war es einfach, die Originalpapiere zur Eichtheorie zu lesen. Gleichzeitig konnte er das Regime verstehen, in dem die Experimente durchgeführt werden konnten, und ihre Herausforderungen. Er setzte sich mit dem Experimentalteam zusammen und entwickelte nach mehreren Diskussionen ein Modell, das die experimentellen Ergebnisse richtig erklären konnte.

Wie er erklärt: „Das Hauptproblem, das wir hatten, bestand darin, in das richtige Framework einzusteigen. Bemerkenswerterweise gab es ein Parameterregime, bei dem dieses Modell genau die topologische Eichtheorie war, die 30 Jahre zuvor vorgeschlagen wurde, um das Verhalten von Elektronen an den Rändern von fraktionierten Quanten-Hall-Materialien zu beschreiben.

„Ich denke, dass uns dieses Projekt die Stärke interdisziplinärer Zusammenarbeit zeigt. Die Kombination von experimentellen Werkzeugen der Ultratieftemperaturphysik und theoretischen Werkzeugen aus der Hochenergiephysik hat uns alle zu besseren Physikern gemacht und zur ersten Quantensimulation einer topologischen Eichtheorie geführt.“ schließt Tarruell.

Das Team ist bereits bereit, die neuen Forschungsrichtungen zu erkunden, die dieses Projekt eröffnet. Ihr Ziel ist es nun, zu versuchen, die Experimente und die Theorie von einer Linie auf eine Ebene zu erweitern, was es ihnen ermöglichen würde, den fraktionierten Quanten-Hall-Effekt ohne die Notwendigkeit eines Quantenmaterials zu beobachten. Dies würde den Zugang zu exotischen Quasiteilchen, sogenannten Anyonen, ermöglichen, die in Zukunft für robustere Formen des Quantencomputings verwendet werden könnten.