Une tige cylindrique est symétrique en rotation - après toute rotation arbitraire autour de son axe, elle a toujours la même apparence. Si une force de plus en plus grande lui est appliquée dans le sens longitudinal, cependant, il finira par se déformer et perdre sa symétrie de rotation. De tels processus, connu sous le nom de « brisure spontanée de symétrie », se produisent également de manière subtile dans le monde quantique microscopique, où ils sont responsables d'un certain nombre de phénomènes fondamentaux tels que le magnétisme et la supraconductivité. Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur de l'ETH Tilman Esslinger et le scientifique principal Tobias Donner de l'Institute for Quantum Electronics a maintenant étudié en détail les conséquences de la rupture spontanée de la symétrie à l'aide d'un simulateur quantique. Les résultats de leurs recherches ont récemment été publiés dans la revue scientifique Science .

Transitions de phase causées par la rupture de symétrie

Dans leur nouveau travail, Esslinger et ses collaborateurs se sont particulièrement intéressés aux transitions de phase - processus physiques, C'est, dans lequel les propriétés d'un matériau changent radicalement, comme le passage d'un matériau du solide au liquide ou l'aimantation spontanée d'un solide. Dans un type particulier de transition de phase provoquée par une brisure spontanée de symétrie, les modes dits Higgs et Goldstone apparaissent. Ces modes décrivent comment les particules d'un matériau réagissent collectivement à une perturbation extérieure. "De telles excitations collectives n'ont été détectées qu'indirectement jusqu'à présent, " explique Julian Léonard, qui a obtenu son doctorat dans le laboratoire d'Esslinger travaille maintenant comme post-doctorant à l'Université de Harvard, "mais maintenant nous avons réussi à observer directement le caractère de ces modes, qui est dicté par la symétrie."

Sombrero dans le simulateur quantique

Dans ce but, les physiciens ont construit un simulateur quantique - un système de laboratoire, C'est, dans lequel les phénomènes quantiques peuvent être étudiés dans leur forme la plus pure et dans des conditions contrôlées. Le simulateur quantique utilisé par les chercheurs de l'ETH se compose d'atomes de rubidium extrêmement froids qui sont exposés à plusieurs ondes lumineuses. A l'aide de deux résonateurs optiques, un couplage entre les atomes et les ondes lumineuses est créé, ce qui fait que la forme de l'énergie potentielle des atomes de rubidium ressemble à un saladier à symétrie de rotation. Les coordonnées de la surface énergétique correspondent à l'intensité de la lumière dans les deux résonateurs. Un faisceau laser qui crée un soi-disant réseau optique peut ensuite être utilisé pour modifier cette surface en forme de saladier de telle manière que, au-dessus d'une force critique du faisceau laser, il commence à ressembler à un sombrero mexicain avec un renflement au centre.

Dans ces circonstances, tout comme dans le cas de la tige cylindrique, la rupture spontanée de la symétrie se produit :tout comme la tige a soudainement flambé dans une direction spatiale aléatoire, les atomes dans l'expérience d'Esslinger, qui a commencé au milieu du saladier, maintenant tous ensemble chercher un nouveau minimum d'énergie. Ce minimum peut se trouver n'importe où le long du sillon du sombrero, car chaque point le long de la rainure a la même énergie. Cela signifie aussi, cependant, que (énergétiquement parlant) les atomes peuvent être déplacés collectivement le long du sillon sans apport d'énergie - cela correspond au mode dit de Goldstone. Par contre, si on veut les pousser radialement, loin du milieu du sombrero ou vers lui, il faut fournir l'énergie nécessaire à ce mode de Higgs. De nouveau, cela peut être comparé à une tige bouclée, qui est facile à faire pivoter mais difficile à plier davantage.

Modes de mesure en temps réel

"Normalement, Les modes Goldstone et Higgs sont détectés indirectement via cette énergie", dit Andrea Morales, doctorant et membre de l'équipe de recherche, "mais nous avons maintenant pu étudier en temps réel comment ces modes se comportent lorsque le système est perturbé". Faire cela, les chercheurs ont envoyé une courte impulsion laser dans l'un des résonateurs optiques, puis ont mesuré l'intensité lumineuse dans les deux résonateurs en fonction du temps. Cela leur a permis de calculer la position des atomes à l'intérieur du sombrero énergétique. Comme prévu, après avoir excité un mode Goldstone, seule la coordonnée angulaire le long de la rainure a changé, alors que dans le mode Higgs c'était la position radiale qui variait.

Pour Tilman Esslinger, cette observation directe d'un phénomène à plusieurs corps important et répandu - qui jusqu'à présent ne pouvait être observé qu'indirectement - représente l'une des forces essentielles du simulateur quantique :"Dans ces systèmes quantiques synthétiques, nous avons une réalisation assez idéale de ce qui se passe dans la nature - dans les solides et aussi dans les molécules individuelles. L'observation directe de la dynamique des modes Goldstone et Higgs dans le simulateur quantique approfondit notre compréhension de ce qui se passe dans de tels systèmes naturels.