Художественное представление киральных взаимодействий в ультрахолодном облаке атомов, одетых светом, которые заставляют его вести себя иначе, чем его зеркальное отображение, и являются дымящимся пистолетом для реализации топологической калибровочной теории. Кредит: ICFO/Scixel

Наше современное понимание физического мира основано на калибровочных теориях: математических моделях теоретической физики, которые описывают взаимодействия между элементарными частицами (такими как электроны или кварки) и квантово-механически объясняют три фундаментальных взаимодействия в природе: электромагнитное, слабое и сильные силы. Четвертая фундаментальная сила, гравитация, описывается общей теорией относительности Эйнштейна, которая, хотя и не понята в квантовом режиме, также является калибровочной теорией. Калибровочные теории также можно использовать для объяснения экзотического квантового поведения электронов в определенных материалах или кодов исправления ошибок, которые потребуются будущим квантовым компьютерам для надежной работы и являются рабочей лошадкой современной физики.

Чтобы лучше понять эти теории, одна из возможностей состоит в том, чтобы реализовать их с помощью искусственных и хорошо управляемых квантовых систем. Эта стратегия называется квантовым моделированием и представляет собой особый тип квантовых вычислений. Впервые он был предложен физиком Ричардом Фейнманом в 80-х годах, более чем через пятнадцать лет после того, как ему была присуждена Нобелевская премия по физике за новаторскую теоретическую работу по калибровочным теориям.

Квантовое моделирование можно рассматривать как квантовую игру LEGO, в которой физики-экспериментаторы воплощают в жизнь абстрактные теоретические модели . Они строят их в лаборатории «квантовый кирпичик за квантовым кирпичиком», используя очень хорошо контролируемые квантовые системы, такие как ультрахолодные атомы или ионы. Собрав один квантовый прототип LEGO для конкретной модели, исследователи могут очень точно измерить ее свойства в лаборатории и использовать полученные результаты, чтобы лучше понять теорию, которую она имитирует. В течение последнего десятилетия квантовое моделирование интенсивно использовалось для исследования квантовых материалов. Однако играть в квантовую игру LEGO с калибровочными теориями принципиально сложнее. До сих пор таким образом можно было исследовать только электромагнитную силу.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature , исследователи-экспериментаторы ICFO Аника Фрелиан, Крейг Чизхолм, Рамон Рамос, Элеттра Нери и Сезар Кабрера под руководством профессора ICREA Летисии Тарруэлл в сотрудничестве с Алессио Чели, исследователем-теоретиком из программы Talent, в Автономном университете Барселоны впервые смогли смоделировать калибровочную теорию, отличную от электромагнетизма, с использованием ультрахолодных атомов.

Калибровочная теория для очень тяжелых фотонов

Команда намеревалась реализовать в лаборатории калибровочную теорию, принадлежащую к классу топологических калибровочных теорий, отличному от класса динамических калибровочных теорий, к которым принадлежит электромагнетизм.

На языке калибровочной теории электромагнитная сила между двумя электронами возникает, когда они обмениваются фотоном: частицей света, которая может распространяться даже в отсутствие материи. Однако в двумерных квантовых материалах, подверженных очень сильным магнитным полям, фотоны, которыми обмениваются электроны, ведут себя так, как если бы они были чрезвычайно тяжелыми и могли двигаться только до тех пор, пока они были прикреплены к материи.

В результате электроны обладают очень своеобразными свойствами: они могут течь только через края материала в направлении, заданном ориентацией магнитного поля, и их заряд становится явно дробным. Такое поведение известно как дробный квантовый эффект Холла и описывается калибровочной теорией Черна-Саймонса (названной в честь математиков, разработавших один из ее ключевых элементов). Поведение электронов, ограниченных одним краем материала, также должно описываться калибровочной теорией, в данном случае называемой хиральной BF, которая была предложена в 90-х годах, но не реализована в лаборатории, пока исследователи ICFO и UAB не вытащили ее. морозильной камеры.

Ультрахолодное облако, которое не ведет себя как свое зеркальное отражение

Чтобы воплотить в реальность эту топологическую калибровочную теорию и смоделировать ее в своем эксперименте, команда использовала облако атомов, охлажденных до температуры примерно в миллиардную долю градуса выше абсолютного нуля. В качестве атома они выбрали калий, потому что один из его изотопов имеет два состояния, которые взаимодействуют с разной силой и могут быть использованы в качестве квантовых кирпичиков для построения киральной калибровочной теории BF. Затем они посветили лазером, чтобы объединить два состояния в одно новое.

Эта техника, называемая «одеванием атомов светом», заставляла их приобретать своеобразные взаимодействия, сила и знак которых зависели от скорости облака. Наконец, они создали оптический волновод, ограничивающий движение атомов линией, и использовали дополнительные лазеры, чтобы подтолкнуть облако и заставить его двигаться вдоль него с разными скоростями.

В нормальных условиях, позволив атомам свободно развиваться в волноводе, это привело бы к расширению облака. Однако при включенном перевязочном свете изображения атомов, сделанные в лаборатории, показали совершенно другое поведение.

Как объясняет Рамон Рамос, «в нашей системе, когда атомы движутся вправо, их взаимодействия становятся притягивающими и нейтрализуют поведение атомов, пытающихся расшириться. Итак, на самом деле вы видите, что форма облака остается прежней, техническими словами, мы реализовали солитон. Но если атомы движутся влево, эти атомы расширяются, как обычный газ».

Наблюдение за атомами, которые ведут себя по-разному при движении в противоположных направлениях, показывает, что система хиральна, то есть отличается от своего зеркального отображения. «Когда мы впервые наблюдали эффект киральных взаимодействий в нашем атомном облаке, мы не пытались смоделировать калибровочную теорию. Но данные были настолько красивыми и интригующими, что мы почувствовали, что нам действительно нужно лучше понять их смысл заставили меня полностью изменить исследовательские планы команды», — говорит Летисия Тарруэлл.

Команда быстро выяснила, что их наблюдения связаны с теоретической статьей, опубликованной десятью годами ранее, в которой предлагалось использовать почти идентичную установку для изучения модифицированного типа электромагнетизма. Однако результаты эксперимента, похоже, никогда не совпадали с их ожиданиями. Как вспоминает Крейг Чизхолм, изначально «результаты, которые мы получали, казались совершенно не соответствующими какой-либо из теорий. Задача состояла в том, чтобы понять, в каком режиме вы должны находиться, чтобы действительно увидеть правильный эффект, исходящий из правильного места, и устранить эффект, исходящий из неправильного места».

Для экспериментальной группы значение модифицированного электромагнетизма, упомянутого в статье, также было очень неясным. В нем цитировались работы по математической физике 90-х годов, в которых была установлена ​​связь с калибровочными теориями, используемыми для описания дробного квантового эффекта Холла. Однако, как говорит Тарруэлл, «физикам-атомщикам, таким как мы, было очень трудно понять содержание этих работ, потому что они были написаны на языке математической физики, совершенно отличном от нашего и мы не могли его понять! Именно тогда мы решили, что нам нужно привлечь теоретика".

Очень плодотворное сотрудничество теории эксперимента

Для физика-теоретика Алессио Чели, который много лет работал над физикой высоких энергий и гравитацией, прежде чем переключиться на квантовое моделирование, чтение оригинальных статей по калибровочной теории было легким. В то же время он мог понять режим, в котором могут проводиться эксперименты, и их проблемы. Он сел с экспериментальной группой и после нескольких обсуждений придумал модель, которая могла правильно объяснить экспериментальные результаты.

Как он объясняет, «главная проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в том, чтобы войти в правильную структуру. Как только вы знали, где искать, решить эту проблему стало легко». Примечательно, что существовал режим параметров, при котором эта модель была в точности топологической калибровочной теорией, предложенной 30 лет назад для описания поведения электронов на краях дробно-квантовых холловских материалов.

«Я думаю, что этот проект показывает нам силу междисциплинарного сотрудничества. Сочетание экспериментальных инструментов физики сверхнизких температур и теоретических инструментов физики высоких энергий сделало всех нас лучшими физиками и привело к первому квантовому моделированию топологической калибровочной теории», заключает Тарруэлл.

Команда уже настроена на изучение новых направлений исследований, открытых этим проектом. Теперь их цель — попытаться расширить эксперименты и теорию с линии на плоскость, что позволило бы им наблюдать дробный квантовый эффект Холла без необходимости в квантовом материале. Это даст доступ к экзотическим квазичастицам, называемым анионами, которые в будущем можно будет использовать для более надежных форм квантовых вычислений.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org