一種模擬量子規(guī)理論強(qiáng)相關(guān)相位的方法

量子規(guī)理論是數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，通常由物理學(xué)家用來(lái)描述亞原子粒子，它們相關(guān)的波場(chǎng)以及它們之間的相互作用。這些理論概述的動(dòng)力學(xué)難以計(jì)算，但在實(shí)驗(yàn)室中有效地模擬它們可能會(huì)帶來(lái)有價(jià)值的新見(jiàn)解和發(fā)現(xiàn)。

在最近的一項(xiàng)研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子研究所的一個(gè)研究小組成功地在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子規(guī)理論模擬的基本要素。他們希望通過(guò)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(jié)果，并擴(kuò)大他們對(duì)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(fù)雜材料中電子的強(qiáng)相關(guān)相位，”開(kāi)展這項(xiàng)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(kuò)展我們的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(即光學(xué)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(biāo)是證明有可能在我們的設(shè)置中設(shè)計(jì)出由于它們與物質(zhì)場(chǎng)耦合而具有動(dòng)態(tài)量子自由度的測(cè)量場(chǎng)。“

量子場(chǎng)是幾種量子場(chǎng)理論的重要組成部分，包括量子電動(dòng)力學(xué)和色動(dòng)力學(xué)。他們描述了物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域中的一大類(lèi)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(shè)置中實(shí)施規(guī)范場(chǎng)將允許研究人員在實(shí)驗(yàn)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(shù)。該方法用于周期性地調(diào)節(jié)量子系統(tǒng)，使得能夠在實(shí)驗(yàn)期間實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)中不可訪問(wèn)的新物理模型。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將費(fèi)米子鉀原子冷卻至接近絕對(duì)零度的溫度。在這種情況下，量子效應(yīng)主導(dǎo)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(yīng)。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(shè)計(jì)密度依賴(lài)的Peierls階段，我們使用Floquet方法并沿一個(gè)方向搖動(dòng)光學(xué)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(xué)隧穿過(guò)程。”

通過(guò)以相對(duì)相位的兩個(gè)不同頻率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Esslinger和他的同事們能夠?qū)崿F(xiàn)包括Peierls階段的復(fù)值隧道。結(jié)果，在他們的實(shí)驗(yàn)中使用的原子開(kāi)始表現(xiàn)得好像它們暴露于合成規(guī)范場(chǎng)。

“由于振動(dòng)頻率選擇與粒子之間的相互作用共振，Peierls相因此相關(guān)的規(guī)范場(chǎng)取決于晶格中的原子配置，”Görg解釋說(shuō)。“這導(dǎo)致了物質(zhì)和測(cè)量場(chǎng)之間的反作用機(jī)制：由于測(cè)量場(chǎng)的存在，原子將開(kāi)始移動(dòng)，這反過(guò)來(lái)將改變測(cè)量場(chǎng)本身。”

在他們的研究中，研究人員在晶格的各個(gè)環(huán)節(jié)上開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量方案。使用這種方案，他們測(cè)量了Peierls階段，即當(dāng)在第二個(gè)原子上進(jìn)行隧道掘進(jìn)時(shí)原子拾取并將其與在空白場(chǎng)地上跳躍時(shí)拾取的階段進(jìn)行比較。

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

“這種強(qiáng)大的相關(guān)系統(tǒng)由耦合到動(dòng)態(tài)規(guī)范場(chǎng)的原子組成，很難通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的數(shù)值模擬來(lái)解決，”Görg說(shuō)。“我們的工作是實(shí)現(xiàn)晶格規(guī)范理論的實(shí)驗(yàn)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(xué)中的不易理解的現(xiàn)象提供新的視角。”

該團(tuán)隊(duì)研究人員最近進(jìn)行的這項(xiàng)研究引入了一種新的通用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)和模擬不同類(lèi)別的密度相關(guān)的測(cè)量場(chǎng)。最終，他們提出的技術(shù)可以為激發(fā)新的物理觀測(cè)和理論鋪平道路。在他們未來(lái)的工作中，研究人員計(jì)劃用它來(lái)研究動(dòng)態(tài)規(guī)范場(chǎng)與在擴(kuò)展光學(xué)晶格中實(shí)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(qū)動(dòng)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(guān)的問(wèn)題，例如加熱，”Esslinger說(shuō)。“與本文中展示的密度相關(guān)的Peierls階段一起，我們的實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)通用平臺(tái)來(lái)模擬和理解量子規(guī)理論的強(qiáng)相關(guān)階段。”