Potentiel de réseau dans le plan x–z constitué de dimères individuels avec un biais énergétique 0. La position du réseau est modulée de manière sinusoïdale dans la direction x à deux fréquences /(2π) et 2ω/(2π) à l'aide d'un actionneur piézoélectrique (non représenté). Si l'interaction sur site U est accordée au voisinage d'une résonance U=lħω+Δ0, les atomes captent une phase ψ(l) dans un processus tunnel assisté par densité t l eff ( ) par rapport à un processus de saut de particule unique teff (0) (avec ψ(0)≈ 0 pour nos paramètres). Crédit :Görg et al.
Les théories de jauge quantique sont des constructions mathématiques généralement utilisées par les physiciens pour décrire les particules subatomiques, leurs champs d'ondes associés et les interactions entre eux. La dynamique décrite par ces théories est difficile à calculer, Pourtant, les émuler efficacement en laboratoire pourrait conduire à de nouvelles idées et découvertes précieuses.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs de l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich a mis en œuvre avec succès un ingrédient fondamental pour la simulation des théories de jauge quantique dans une expérience de laboratoire. Leur espoir est qu'en simulant des systèmes quantiques dans un environnement hautement contrôlé, ils recueilleront des observations intéressantes et élargiront leur compréhension des systèmes à plusieurs corps (c. systèmes avec de nombreuses particules qui interagissent les unes avec les autres).
"D'habitude, nos travaux s'inspirent de phénomènes en physique du solide tels que les phases fortement corrélées des électrons dans les matériaux complexes, " Tilman Esslinger, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans notre travail actuel, cependant, nous avons souhaité étendre le périmètre de notre plateforme expérimentale (i.e., atomes ultrafroids dans les réseaux optiques) afin d'étudier un nouvel ensemble de phénomènes se produisant en physique des hautes énergies et de la matière condensée. L'objectif était de démontrer qu'il est possible de concevoir des champs de jauge dans notre configuration qui sont des degrés de liberté quantiques dynamiques en raison de leur couplage à un champ de matière."
Les champs de jauge sont un élément essentiel de plusieurs théories quantiques des champs, y compris l'électrodynamique quantique et la chromodynamique. Ils décrivent une grande classe de phénomènes dans divers domaines de la physique, comme la physique des particules élémentaires, physique de la matière condensée et théorie de l'information quantique. La mise en œuvre de champs de jauge dans des configurations d'atomes froids permettrait donc aux chercheurs d'étudier certains de ces phénomènes en laboratoire.
L'approche utilisée par Esslinger et ses collègues dans leur étude est basée sur une technique appelée ingénierie Floquet. Cette méthode est utilisée pour moduler un système quantique périodiquement dans le temps, permettant la mise en œuvre de nouveaux modèles physiques au cours de l'expérimentation qui ne sont pas accessibles dans les systèmes statiques.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont refroidi les atomes de potassium fermioniques à des températures proches du zéro absolu. Dans ce régime, les effets quantiques dominent le comportement des particules. Cela leur a permis d'étudier ces effets dans un environnement hautement contrôlable. Ensuite, Esslinger et ses collègues ont chargé les atomes refroidis dans un cristal artificiel composé de lumière laser, simulant ainsi des comportements spécifiques, par exemple, celles des électrons dans un matériau à l'état solide.
"Afin de concevoir les phases Peierls dépendantes de la densité, nous avons utilisé une approche Floquet et secoué le réseau optique dans une direction, " Frederik Görg, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Cela nous a permis de contrôler le processus de tunneling mécanique quantique des atomes entre les sites voisins du réseau."
En pilotant le système à deux fréquences distinctes avec une phase relative, Esslinger et ses collègues ont pu réaliser un tunnel à valeur complexe qui comprenait une phase Peierls. Par conséquent, les atomes utilisés dans leur expérience ont commencé à se comporter comme s'ils étaient exposés à un champ de jauge synthétique.
"Comme les fréquences de secousses sont choisies pour être en résonance avec l'interaction entre les particules, la phase de Peierls et donc le champ de jauge associé dépendent de la configuration atomique dans le réseau, " expliqua Görg. " Cela conduit à un mécanisme d'action inverse entre la matière et le champ de jauge :les atomes vont commencer à se déplacer en raison de la présence du champ de jauge, ce qui à son tour changera le champ de jauge lui-même."
Dans leur étude, les chercheurs ont développé un schéma de mesure sur un maillon individuel du réseau. En utilisant ce schéma, ils ont mesuré la phase de Peierls que les atomes captent lorsqu'ils creusent un tunnel au-dessus d'un deuxième atome et l'ont comparée à la phase qu'ils captent lorsqu'ils sautent sur un site vide.
Les chercheurs ont observé qu'il y avait une différence significative entre ces deux phases. Ceci suggère que le champ de jauge associé à ces phases de Peierls dépend de l'occupation des sites du réseau - en d'autres termes, il est dépendant de la densité.
"Un système aussi fortement corrélé constitué d'atomes couplés à un champ de jauge dynamique est très difficile à aborder avec des simulations numériques sur des ordinateurs classiques, " a déclaré Görg. "Notre travail est la première étape vers une simulation quantique expérimentale des théories de jauge sur réseau, qui peut apporter un nouvel éclairage sur des phénomènes mal compris de la matière condensée et de la physique des hautes énergies.
L'étude récente menée par cette équipe de chercheurs introduit une nouvelle méthode polyvalente pour mettre en œuvre et simuler différentes classes de champs de jauge dépendant de la densité. Finalement, la technique qu'ils proposaient pourrait ouvrir la voie à de nouvelles observations et théories physiques passionnantes. Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient de l'utiliser pour étudier l'interaction entre les champs de jauge dynamiques et les atomes dans les systèmes à plusieurs corps mis en œuvre dans un réseau optique étendu.
"Nous avons déjà montré dans des travaux antérieurs que nous maîtrisons très bien les systèmes à plusieurs corps entraînés et que nous pouvons atténuer les problèmes associés aux systèmes Floquet en interaction tels que le chauffage, " a déclaré Esslinger. " Avec les phases Peierls dépendantes de la densité démontrées dans cet article, notre expérience fournit une plate-forme polyvalente pour simuler et comprendre des phases fortement corrélées des théories de jauge quantique."
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