Potenziale reticolare nel piano x–z costituito da singoli dimeri con un bias energetico 0. La posizione del reticolo è modulata sinusoidalmente nella direzione x a due frequenze ω/(2π) e 2ω/(2π) utilizzando un attuatore piezoelettrico (non mostrato). Se l'interazione in loco U è sintonizzata vicino a una risonanza U=lħω+Δ0, gli atomi raccolgono una fase ψ(l) in un processo di tunneling assistito dalla densità t l eff ( ) rispetto a un processo di hopping di singole particelle teff (0) (con ψ(0)≈ 0 per i nostri parametri). Credito:Görg et al.
Le teorie di gauge quantistiche sono costrutti matematici tipicamente usati dai fisici per descrivere le particelle subatomiche, i loro campi d'onda associati e le interazioni tra di essi. Le dinamiche delineate da queste teorie sono difficili da calcolare, tuttavia, emularli efficacemente in laboratorio potrebbe portare a nuove preziose intuizioni e scoperte.
In un recente studio, un team di ricercatori dell'Istituto per l'elettronica quantistica dell'ETH di Zurigo ha implementato con successo un ingrediente fondamentale per la simulazione delle teorie di gauge quantistiche in un esperimento di laboratorio. La loro speranza è che, simulando sistemi quantistici in un ambiente altamente controllato, raccoglieranno osservazioni interessanti e amplieranno la loro comprensione dei sistemi a molti corpi (cioè, sistemi con molte particelle che interagiscono tra loro).
"Generalmente, il nostro lavoro si ispira a fenomeni della fisica dello stato solido come fasi fortemente correlate di elettroni in materiali complessi, "Tilman Esslinger, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nel nostro lavoro attuale, però, volevamo estendere la portata della nostra piattaforma sperimentale (cioè, atomi ultrafreddi in reticoli ottici) per studiare un nuovo insieme di fenomeni che si verificano nella fisica delle alte energie e della materia condensata. L'obiettivo era dimostrare che è possibile progettare campi di gauge nella nostra configurazione che sono gradi di libertà quantistici dinamici a causa del loro accoppiamento a un campo di materia".
I campi di gauge sono una componente vitale di diverse teorie quantistiche dei campi, tra cui elettrodinamica quantistica e cromodinamica. Descrivono una vasta classe di fenomeni in varie aree della fisica, come la fisica delle particelle elementari, fisica della materia condensata e teoria dell'informazione quantistica. L'implementazione di campi di misura in configurazioni di atomi freddi consentirebbe quindi ai ricercatori di studiare alcuni di questi fenomeni in laboratorio.
L'approccio utilizzato da Esslinger e dai suoi colleghi nel loro studio si basa su una tecnica chiamata ingegneria Floquet. Questo metodo viene utilizzato per modulare periodicamente un sistema quantistico nel tempo, consentendo l'implementazione di nuovi modelli fisici durante l'esperimento che non sono accessibili nei sistemi statici.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno raffreddato gli atomi di potassio fermionici a temperature vicine allo zero assoluto. In questo regime, gli effetti quantistici dominano il comportamento delle particelle. Ciò ha permesso loro di studiare questi effetti in un ambiente altamente controllabile. Successivamente, Esslinger e i suoi colleghi hanno caricato gli atomi raffreddati in un cristallo artificiale costituito da luce laser, simulando così comportamenti specifici, ad esempio, quelli degli elettroni in un materiale allo stato solido.
"Per progettare le fasi di Peierls dipendenti dalla densità, abbiamo usato un approccio Floquet e abbiamo scosso il reticolo ottico lungo una direzione, " Frederik Gorg, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Questo ci ha permesso di controllare il processo di tunneling meccanico quantistico degli atomi tra i siti vicini del reticolo".
Pilotando il sistema a due frequenze distinte con relativa fase, Esslinger ei suoi colleghi sono stati in grado di realizzare un tunneling di valore complesso che includeva una fase di Peierls. Di conseguenza, gli atomi utilizzati nel loro esperimento iniziarono a comportarsi come se fossero esposti a un campo di gauge sintetico.
"Dal momento che le frequenze di scuotimento sono scelte per essere risonanti con l'interazione tra le particelle, la fase di Peierls e quindi il campo di gauge associato dipendono dalla configurazione atomica nel reticolo, " ha spiegato Görg. "Questo porta a un meccanismo di retroazione tra la materia e il campo di gauge:gli atomi inizieranno a muoversi a causa della presenza del campo di gauge, che a sua volta cambierà il campo di misura stesso."
Nel loro studio, i ricercatori hanno sviluppato uno schema di misurazione su un singolo collegamento del reticolo. Utilizzando questo schema, hanno misurato la fase di Peierls che gli atomi raccolgono quando scavano tunnel sopra un secondo atomo e la confrontano con la fase che raccolgono quando saltano su un sito vuoto.
I ricercatori hanno osservato che c'era una differenza significativa tra queste due fasi. Ciò suggerisce che il campo di gauge associato a queste fasi di Peierls dipende dall'occupazione dei siti reticolari, in altre parole, è dipendente dalla densità.
"Un sistema così fortemente correlato costituito da atomi accoppiati a un campo di gauge dinamico è molto difficile da affrontare con simulazioni numeriche su computer classici, " Görg ha detto. "Il nostro lavoro è il primo passo verso una simulazione quantistica sperimentale delle teorie di gauge reticolari, che può gettare nuova luce su fenomeni poco compresi nella materia condensata e nella fisica delle alte energie".
Il recente studio condotto da questo team di ricercatori introduce un nuovo metodo versatile per implementare e simulare diverse classi di campi di gauge dipendenti dalla densità. In definitiva, la tecnica che hanno proposto potrebbe aprire la strada a nuove interessanti osservazioni e teorie fisiche. Nel loro lavoro futuro, i ricercatori intendono usarlo per studiare l'interazione tra i campi di gauge dinamici e gli atomi in sistemi a molti corpi implementati in un reticolo ottico esteso.
"Abbiamo già dimostrato in lavori precedenti che abbiamo un ottimo controllo sui sistemi a molti corpi guidati e che possiamo mitigare i problemi associati ai sistemi Floquet interagenti come il riscaldamento, " Ha detto Esslinger. "Insieme alle fasi di Peierls dipendenti dalla densità dimostrate in questo documento, il nostro esperimento fornisce una piattaforma versatile per simulare e comprendere fasi fortemente correlate delle teorie di gauge quantistiche".
© 2019 Scienza X Rete
