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成功地在实验中,实现模拟量子规范理论!

2019-10-23  博科园

量子规范理论通常被物理学家用来描述亚原子粒子、相关波场以及之间相互作用的数学构造。这些理论概述的动力学难以计算,但在实验室中有效地模拟它们可能会促使有价值的新见解和发现。在新的一项研究中,苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的一组研究人员,成功地在实验室实验中实现了模拟量子规范理论的基本部分。通过在高度受控的环境中模拟量子系统,收集有趣的观察结果,并拓宽对多体系统(即具有许多相互作用粒子的系统)的理解。

开展这项研究的研究人员之一蒂尔曼·埃斯林格(Tilman Esslinger)表示:通常,研究受到固体物理现象的启发,比如复杂材料中电子的强相关相位。然而,在目前的研究中,研究人员希望扩大实验平台的范围(即光学晶格中的超冷原子),以便研究高能和凝聚态物理中出现的新现象。目的是证明在装置中设计规范场是可能的,这些规范场是动态量子自由度,因为它们与物质场耦合。规范场是几种量子场论的重要组成部分,包括量子电动力学和色动力学。

这些理论描述了物理学各个领域中的一大类现象,如基本粒子物理、凝聚态物理和量子信息论。因此,在冷原子设置中实施规范场将能让研究人员在实验室中研究其中的一些现象。在研究中使用的方法是基于一种称为Floquet工程的技术。这种方法用于随着时间的推移周期性地调制量子系统,使得能够在实验期间实现在静态系统中无法访问的新物理模型。在实验中,研究人员将铁离子钾原子冷却到接近绝对零度的温度。在这种情况下,量子效应支配着粒子的行为。

这使得研究人员能够在高度可控的环境中研究这些效应。随后,将冷却的原子加载到由激光组成的人造晶体中,从而模拟特定的行为,例如,固态材料中电子的行为。为了设计密度依赖的Peierls相位,研究人员使用了Floquet方法,并沿着一个方向摇动光学晶格,这将能够控制晶格相邻位点之间原子的量子力学隧穿过程。通过使用相对相位驱动系统在两个不同的频率上,研究人员能够实现包含Peierls相位的复值隧道。结果,在实验中使用的原子开始表现得就像暴露在一个合成规范场中一样。

由于振动频率被选择为与粒子之间的相互作用共振,因此Peierls相位以及相关规范场取决于晶格中的原子配置。这就导致了物质和规范场之间的反作用力机制:由于规范场的存在,原子将开始移动,这反过来又会改变规范场本身。在研究中,研究人员在晶格的单个环节上开发了一种测量方案。使用这种方案,测量了原子在第二个原子上隧穿时“拾取”的Peierls相位,并将其与在空位上跳跃时拾取的相位进行比较。研究人员观察到,这两个阶段之间存在显着差异,这表明与这些Peierls相关联的规范场依赖于晶格点的占据。

这样一个由耦合到动态规范场的原子组成强关联系统,很难用经典计算机上的数值模拟来处理,本研究是朝着晶格规范理论的实验量子模拟迈出第一步,这可以为凝聚态物质和高能物理中难以理解的现象提供新线索。进行的研究引入了一种新通用方法来实现和模拟不同类别的密度相关规范场。提出的技术可以为令人兴奋的新物理观察和理论铺平道路。在未来的研究中,研究人员计划用它来研究在扩展光学晶格中实现多体系统中动态规范场和原子之间的相互作用。

博科园|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys

参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0615-4

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