빛으로 옷을 입은 초저온 원자는 게이지 이론을 시뮬레이션합니다.
날짜:
2022년 8월 10일
원천:
ICFO-광자 과학 연구소
요약:
연구자들은 우주에서 가장 차가운 시스템을 사용하여 자연의 기본 힘과 복잡한 양자 물질의 거동을 설명하는 현대 물리학의 핵심 모델인 실험실 게이지 이론을 실현했습니다.
물리적 세계에 대한 우리의 현대적 이해는 게이지 이론을 기반으로 합니다. 즉, 소립자(전자 또는 쿼크와 같은) 간의 상호 작용을 설명하고 자연의 세 가지 기본 힘인 전자기력, 약력 및 강한 힘. 네 번째 기본 힘인 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 설명되며, 양자 영역에서는 아직 이해되지 않았지만 게이지 이론이기도 합니다. 게이지 이론은 또한 미래 양자 컴퓨터가 안정적으로 작동해야 하고 현대 물리학의 원동력이 되는 특정 재료 또는 오류 수정 코드에서 전자의 이국적인 양자 거동을 설명하는 데 사용할 수 있습니다.
이러한 이론을 더 잘 이해하기 위해 한 가지 가능성은 인공적이고 고도로 제어 가능한 양자 시스템을 사용하여 실현하는 것입니다. 이 전략을 양자 시뮬레이션이라고 하며 특수한 유형의 양자 컴퓨팅을 구성합니다. 이것은 게이지 이론에 대한 선구적인 이론 작업으로 노벨 물리학상을 받은 지 15년이 지난 80년대 물리학자 Richard Feynman에 의해 처음 제안되었습니다. 양자 시뮬레이션은 실험 물리학자들이 추상적인 이론 모델에 현실을 부여하는 양자 레고 게임으로 볼 수 있습니다. 그들은 극저온 원자나 이온과 같이 매우 잘 제어된 양자 시스템을 사용하여 실험실에서 "양자 벽돌로 양자 벽돌"을 만듭니다. 특정 모델에 대한 하나의 양자 LEGO 프로토타입을 조립한 후, 연구원들은 실험실에서 그 특성을 매우 정밀하게 측정할 수 있습니다. 그리고 그들의 결과를 사용하여 그것이 모방하는 이론을 더 잘 이해합니다. 지난 10년 동안 양자 시뮬레이션은 양자 재료를 조사하기 위해 집중적으로 활용되었습니다. 그러나 게이지 이론으로 양자 LEGO 게임을 하는 것은 근본적으로 더 어렵습니다. 지금까지는 이러한 방식으로 전자기력만 조사할 수 있었습니다.
Nature 에 발표된 최근 연구 에서 ICFO Leticia Tarruell의 ICREA 교수가 이끄는 ICFO 실험 연구원 Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri 및 Cesar Cabrera가 Talent 프로그램의 이론 연구원인 Alessio Celi와 공동으로 진행했습니다. 바르셀로나 자치 대학에서 초저온 원자를 사용하여 전자기 이외의 게이지 이론을 처음으로 시뮬레이션할 수 있었습니다.
매우 무거운 광자에 대한 게이지 이론
연구팀은 전자기학이 속하는 역학 게이지 이론과 다른 위상 게이지 이론 클래스에 속하는 게이지 이론을 실험실에서 실현하기 시작했다.
게이지 이론 언어에서 두 전자 사이의 전자기력은 광자를 교환할 때 발생합니다. 즉, 물질이 없을 때도 전파할 수 있는 빛의 입자입니다. 그러나 매우 강한 자기장을 받는 2차원 양자 물질에서 전자에 의해 교환된 광자는 마치 매우 무거운 것처럼 행동하며 물질에 부착되어 있는 동안에만 움직일 수 있습니다. 결과적으로 전자는 매우 독특한 특성을 가지고 있습니다. 전자는 자기장의 방향에 의해 설정된 방향으로 재료의 가장자리를 통해서만 흐를 수 있으며 전하가 분명히 분수가 됩니다. 이 동작은 분수 양자 홀 효과로 알려져 있으며 Chern-Simons 게이지 이론(핵심 요소 중 하나를 개발한 수학자의 이름을 따서 명명됨)에 의해 설명됩니다.
거울상처럼 행동하지 않는 극저온 구름
이 토폴로지 게이지 이론을 현실화하고 실험에서 시뮬레이션하기 위해 팀은 절대 영도보다 약 10억분의 1도 높은 온도로 냉각된 원자 구름을 사용했습니다. 원자 종으로 칼륨을 선택한 이유는 동위원소 중 하나가 서로 다른 강도와 상호 작용하는 두 가지 상태를 갖고 키랄 BF 게이지 이론을 구성하기 위한 양자 벽돌로 사용할 수 있기 때문입니다. 그런 다음 그들은 두 가지 상태를 하나의 새로운 상태로 결합하기 위해 레이저 빛을 비추었습니다. "빛으로 원자에 옷 입히기"라고 하는 이 기술은 구름의 속도에 따라 강도와 부호가 달라지는 독특한 상호작용을 얻도록 했습니다. 마지막으로 그들은 원자의 움직임을 선으로 제한하는 광학 도파관을 만들고 추가 레이저를 사용하여 구름을 걷어차고 구름을 따라 다른 속도로 움직이게 했습니다.
정상적인 조건에서 원자가 도파관에서 자유롭게 진화하도록 하면 구름이 확장되었을 것입니다. 그러나 드레싱 라이트를 켠 상태에서 실험실에서 촬영한 원자의 이미지는 완전히 다른 동작을 보여주었습니다. Ramon Ramos가 설명했듯이 "우리 시스템에서 원자가 오른쪽으로 이동할 때 상호 작용은 매력적이며 팽창하려는 원자의 동작을 취소합니다. 따라서 실제로 보는 것은 구름의 모양이 동일하게 유지된다는 것입니다. 전문 용어로 솔리톤을 실현했지만 원자가 왼쪽으로 이동하면 이 원자는 일반 기체처럼 팽창합니다." 반대 방향으로 움직일 때 다르게 행동하는 원자의 관찰은 시스템이 키랄, 즉 거울 이미지와 다르다는 것을 보여줍니다. " 우리가 원자 구름에서 키랄 상호작용의 효과를 처음 관찰했을 때 게이지 이론을 시뮬레이션하려는 것이 아니었습니다. 그러나 데이터가 너무 아름답고 흥미롭기 때문에 우리는 그 의미를 더 잘 이해할 필요가 있다고 느꼈습니다. 그 결과 팀의 연구 계획이 완전히 바뀌었습니다."라고 Leticia Tarruell은 말합니다.
팀은 그들의 관찰이 10년 전에 발표된 이론적인 논문과 연결되어 있다는 것을 빨리 알아냈습니다. 이 논문은 수정된 유형의 전자기를 연구하기 위해 거의 동일한 설정을 사용하자고 제안했습니다. 그러나 실험 결과는 결코 그들의 기대와 일치하지 않는 것 같았습니다. Craig Chisholm이 회상하듯이 처음에는 "우리가 얻은 결과가 어떤 이론과도 전혀 일치하지 않는 것 같았습니다. 문제는 올바른 위치에서 오는 올바른 효과를 실제로 보기 위해 어떤 체제에 있어야 하는지를 이해하는 것이었습니다. 잘못된 위치에서 오는 효과를 제거하십시오."
실험팀의 경우 논문에서 언급한 변형 전자기의 의미도 매우 불분명했다. 그것은 분수 양자 홀 효과를 설명하는 데 사용되는 게이지 이론과의 연결을 확립한 90년대의 수학 물리학 논문을 인용했습니다. 그러나 Tarruell이 말했듯이 "우리와 같은 실험적인 원자 물리학자들에게는 우리와 완전히 다른 수리 물리학 언어로 작성되었기 때문에 이러한 작업의 내용을 파악하기가 매우 어려웠습니다. 우리의 질문에 대한 질문이 있었지만 우리는 그것을 이해할 수 없었습니다! 이때 우리는 이론가를 그림으로 불러들일 필요가 있다고 결정했습니다."
매우 유익한 실험-이론 협업
양자 시뮬레이션으로 전환하기 전에 고에너지 물리학 및 중력에 대해 수년간 연구한 이론 물리학자 Alessio Celi에게는 원래 게이지 이론 논문을 읽는 것이 쉬웠습니다. 동시에 그는 실험이 수행될 수 있는 체제와 그 과제를 이해할 수 있었습니다. 그는 실험팀과 함께 앉았고, 몇 번의 논의 끝에 실험 결과를 적절하게 설명할 수 있는 모델을 생각해 냈습니다. 그가 설명하듯이, "우리가 가진 주요 문제는 올바른 프레임워크에 들어가는 것이었습니다. 어디를 봐야 하는지 알게 되면 쉽게 해결할 수 있는 문제가 되었습니다." 놀랍게도, 이 모델이 분수 양자 홀 물질의 가장자리에서 전자의 거동을 설명하기 위해 30년 전에 제안된 토폴로지 게이지 이론과 정확히 일치하는 매개변수 영역이 있었습니다.
"나는 이 프로젝트가 학제간 협력의 힘을 보여준다고 생각합니다. 초저온 물리학의 실험 도구와 고에너지 물리학의 이론 도구를 결합하여 우리 모두를 더 나은 물리학자로 만들었으며 위상 게이지 이론의 첫 번째 양자 시뮬레이션 결과를 얻었습니다." 타루엘은 결론을 내린다.
팀은 이미 이 프로젝트에 의해 열린 새로운 연구 방향을 탐색할 준비가 되어 있습니다. 그들의 목표는 이제 실험과 이론을 선에서 평면으로 확장하여 양자 물질 없이도 분수 양자 홀 효과를 관찰할 수 있도록 하는 것입니다. 이것은 미래에 보다 강력한 형태의 양자 컴퓨팅에 사용될 수 있는 애니온(anyons)이라고 불리는 이국적인 준 입자에 대한 액세스를 제공할 것입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/