Potencial de celosía en el plano x – z que consta de dímeros individuales con un sesgo de energía Δ0. La posición de la red se modula sinusoidalmente en la dirección x a dos frecuencias ω / (2π) y 2ω / (2π) utilizando un actuador piezoeléctrico (no mostrado). Si la interacción en el sitio U se sintoniza cerca de una resonancia U =lħω + Δ0, los átomos toman una fase ψ (l) en un proceso de tunelización asistido por densidad t l eff () en comparación con un proceso de salto de una sola partícula teff (0) (con ψ (0) ≈ 0 para nuestros parámetros). Crédito:Görg et al.
Las teorías de calibre cuántico son construcciones matemáticas que los físicos suelen utilizar para describir partículas subatómicas, sus campos de ondas asociados y las interacciones entre ellos. La dinámica esbozada por estas teorías es difícil de calcular, sin embargo, emularlos de forma eficaz en el laboratorio podría dar lugar a nuevos conocimientos y descubrimientos valiosos.
En un estudio reciente, un equipo de investigadores del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich implementó con éxito un ingrediente fundamental para la simulación de teorías de calibre cuántico en un experimento de laboratorio. Su esperanza es que al simular sistemas cuánticos en un entorno altamente controlado, recopilarán observaciones interesantes y ampliarán su comprensión de los sistemas de muchos cuerpos (es decir, sistemas con muchas partículas que interactúan entre sí).
"Generalmente, nuestro trabajo se inspira en fenómenos de la física del estado sólido, como las fases de electrones fuertemente correlacionadas en materiales complejos, "Tilman Esslinger, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En nuestro trabajo actual, sin embargo, queríamos ampliar el alcance de nuestra plataforma experimental (es decir, átomos ultrafríos en redes ópticas) para investigar un nuevo conjunto de fenómenos que ocurren en la física de alta energía y materia condensada. El objetivo era demostrar que es posible diseñar campos de calibre en nuestra configuración que sean grados cuánticos dinámicos de libertad debido a su acoplamiento a un campo de materia ".
Los campos de calibre son un componente vital de varias teorías de campos cuánticos, incluyendo electrodinámica cuántica y cromodinámica. Describen una gran clase de fenómenos en diversas áreas de la física, como la física de partículas elementales, física de la materia condensada y teoría de la información cuántica. La implementación de campos de calibre en configuraciones de átomos fríos permitiría a los investigadores investigar algunos de estos fenómenos en el laboratorio.
El enfoque utilizado por Esslinger y sus colegas en su estudio se basa en una técnica llamada ingeniería Floquet. Este método se utiliza para modular un sistema cuántico periódicamente a lo largo del tiempo, permitiendo la implementación de nuevos modelos físicos durante el experimento que no son accesibles en sistemas estáticos.
En sus experimentos, los investigadores enfriaron átomos de potasio fermiónico a temperaturas cercanas al cero absoluto. En este régimen, los efectos cuánticos dominan el comportamiento de las partículas. Esto les permitió estudiar estos efectos en un entorno altamente controlable. Después, Esslinger y sus colegas cargaron los átomos enfriados en un cristal artificial hecho de luz láser, simulando así comportamientos específicos, por ejemplo, los de los electrones en un material en estado sólido.
"Para diseñar las fases de Peierls dependientes de la densidad, Usamos un enfoque Floquet y agitamos la celosía óptica en una dirección, "Frederik Görg, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Esto nos permitió controlar el proceso de tunelización de la mecánica cuántica de los átomos entre los sitios vecinos de la red".
Conduciendo el sistema a dos frecuencias distintas con una fase relativa, Esslinger y sus colegas pudieron lograr un túnel de valor complejo que incluía una fase de Peierls. Como resultado, los átomos utilizados en su experimento comenzaron a comportarse como si estuvieran expuestos a un campo de calibre sintético.
"Dado que las frecuencias de agitación se eligen para que resuenen con la interacción entre las partículas, la fase de Peierls y, por lo tanto, el campo de calibre asociado dependen de la configuración atómica en la red, "Görg explicó." Esto conduce a un mecanismo de acción inversa entre la materia y el campo indicador:los átomos comenzarán a moverse debido a la presencia del campo indicador, que a su vez cambiará el campo del indicador en sí ".
En su estudio, los investigadores desarrollaron un esquema de medición en un enlace individual de la red. Usando este esquema, midieron la fase de Peierls que recogen los átomos al hacer un túnel sobre un segundo átomo y la compararon con la fase que recogen cuando saltan a un sitio vacío.
Los investigadores observaron que había una diferencia significativa entre estas dos fases. Esto sugiere que el campo de calibre asociado con estas fases de Peierls depende de la ocupación de los sitios de celosía; en otras palabras, depende de la densidad.
"Un sistema tan fuertemente correlacionado que consiste en átomos acoplados a un campo de calibre dinámico es muy difícil de abordar con simulaciones numéricas en computadoras clásicas, ", Dijo Görg." Nuestro trabajo es el primer paso hacia una simulación cuántica experimental de las teorías del calibre reticular, que puede arrojar nueva luz sobre fenómenos poco entendidos en materia condensada y física de alta energía ".
El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores introduce un nuevo método versátil para implementar y simular diferentes clases de campos de calibre dependientes de la densidad. Por último, la técnica que propusieron podría allanar el camino para nuevas y emocionantes observaciones y teorías físicas. En su trabajo futuro, los investigadores planean usarlo para estudiar la interacción entre los campos de calibre dinámicos y los átomos en sistemas de muchos cuerpos implementados en una red óptica extendida.
"Ya hemos demostrado en trabajos anteriores que tenemos un muy buen control sobre los sistemas impulsados de muchos cuerpos y que podemos mitigar los problemas asociados con los sistemas Floquet interactivos, como la calefacción, "Dijo Esslinger." Junto con las fases de Peierls dependientes de la densidad demostradas en este documento, nuestro experimento proporciona una plataforma versátil para simular y comprender las fases fuertemente correlacionadas de las teorías del calibre cuántico ".
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