一種模擬量子規(guī)理論強相關相位的方法

量子規(guī)理論是數(shù)學結構，通常由物理學家用來描述亞原子粒子，它們相關的波場以及它們之間的相互作用。這些理論概述的動力學難以計算，但在實驗室中有效地模擬它們可能會帶來有價值的新見解和發(fā)現(xiàn)。

在最近的一項研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所的一個研究小組成功地在實驗室實驗中實現(xiàn)了量子規(guī)理論模擬的基本要素。他們希望通過在高度受控的環(huán)境中模擬量子系統(tǒng)，他們將收集有趣的觀察結果，并擴大他們對多體系統(tǒng)的理解(即，具有許多相互作用的粒子的系統(tǒng))。

“通常，我們的工作受到固態(tài)物理現(xiàn)象的啟發(fā)，例如復雜材料中電子的強相關相位，”開展這項研究的研究人員之一Tilman Esslinger告訴Phys.org。“然而，在我們目前的工作中，我們希望擴展我們的實驗平臺(即光學晶格中的超冷原子)的范圍，以研究在高能和凝聚態(tài)物理中發(fā)生的一組新現(xiàn)象。目標是證明有可能在我們的設置中設計出由于它們與物質(zhì)場耦合而具有動態(tài)量子自由度的測量場。“

量子場是幾種量子場理論的重要組成部分，包括量子電動力學和色動力學。他們描述了物理學各個領域中的一大類現(xiàn)象，如基本粒子物理，凝聚態(tài)物理和量子信息理論。因此，在冷原子設置中實施規(guī)范場將允許研究人員在實驗室中研究這些現(xiàn)象中的一些。

Esslinger及其同事在他們的研究中使用的方法基于一種名為Floquet工程的技術。該方法用于周期性地調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)，使得能夠在實驗期間實現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)中不可訪問的新物理模型。

在他們的實驗中，研究人員將費米子鉀原子冷卻至接近絕對零度的溫度。在這種情況下，量子效應主導著粒子的行為。這使他們能夠在高度可控的環(huán)境中研究這些效應。隨后，Esslinger和他的同事將冷卻的原子加載到由激光組成的人造晶體中，從而模擬特定行為，例如固態(tài)材料中的電子行為。

“為了設計密度依賴的Peierls階段，我們使用Floquet方法并沿一個方向搖動光學晶格，”參與該研究的另一位研究員FrederikGörg告訴Phys.org。“這使我們能夠控制晶格相鄰位置之間原子的量子力學隧穿過程。”

通過以相對相位的兩個不同頻率驅動系統(tǒng)，Esslinger和他的同事們能夠實現(xiàn)包括Peierls階段的復值隧道。結果，在他們的實驗中使用的原子開始表現(xiàn)得好像它們暴露于合成規(guī)范場。

“由于振動頻率選擇與粒子之間的相互作用共振，Peierls相因此相關的規(guī)范場取決于晶格中的原子配置，”Görg解釋說。“這導致了物質(zhì)和測量場之間的反作用機制：由于測量場的存在，原子將開始移動，這反過來將改變測量場本身。”

在他們的研究中，研究人員在晶格的各個環(huán)節(jié)上開發(fā)了一種測量方案。使用這種方案，他們測量了Peierls階段，即當在第二個原子上進行隧道掘進時原子拾取并將其與在空白場地上跳躍時拾取的階段進行比較。

研究人員觀察到這兩個階段之間存在顯著差異。這表明與這些Peierls相關聯(lián)的規(guī)范場取決于晶格位置的占據(jù) - 換句話說，它是密度依賴的。

“這種強大的相關系統(tǒng)由耦合到動態(tài)規(guī)范場的原子組成，很難通過經(jīng)典計算機上的數(shù)值模擬來解決，”Görg說。“我們的工作是實現(xiàn)晶格規(guī)范理論的實驗量子模擬的第一步，它可以為凝聚態(tài)物質(zhì)和高能物理學中的不易理解的現(xiàn)象提供新的視角。”

該團隊研究人員最近進行的這項研究引入了一種新的通用方法來實現(xiàn)和模擬不同類別的密度相關的測量場。最終，他們提出的技術可以為激發(fā)新的物理觀測和理論鋪平道路。在他們未來的工作中，研究人員計劃用它來研究動態(tài)規(guī)范場與在擴展光學晶格中實現(xiàn)的多體系統(tǒng)中的原子之間的相互作用。

“我們已經(jīng)在之前的工作中表明，我們可以很好地控制驅動的多體系統(tǒng)，并且我們可以減輕與Floquet系統(tǒng)相互作用相關的問題，例如加熱，”Esslinger說。“與本文中展示的密度相關的Peierls階段一起，我們的實驗提供了一個通用平臺來模擬和理解量子規(guī)理論的強相關階段。”