Цилиндрический стержень осесимметричен - после любого произвольного вращения вокруг своей оси он всегда выглядит одинаково. Однако если к нему прикладывать все большую силу в продольном направлении, он в конечном итоге изгибается и теряет свою вращательную симметрию. Такие процессы, известные как «спонтанное нарушение симметрии», также имеют место в тонком виде в микроскопическом квантовом мире, где они ответственны за ряд фундаментальных явлений, таких как магнетизм и сверхпроводимость. Группа исследователей во главе с профессором ETH Тилманом Эсслингером и старшим научным сотрудником Тобиасом Доннером из Института квантовой электроники подробно изучила последствия спонтанного нарушения симметрии с помощью квантового симулятора. Результаты их исследования недавно были опубликованы в научном журнале Science.
Фазовые переходы, вызванные нарушением симметрии
В своей новой работе Эсслингер и его сотрудники проявили особый интерес к фазовым переходам - физическим процессам, то есть резкому изменению свойств материала, например переходу вещества из твердого состояния в жидкое или самопроизвольное намагничивание твердого тела. При особом типе фазового перехода, вызванном спонтанным нарушением симметрии, появляются так называемые моды Хиггса и Голдстоуна. Эти режимы описывают, как частицы в материале коллективно реагируют на возмущение извне. «Такие коллективные возбуждения до сих пор были обнаружены только косвенно, - объясняет Джулиан Леонар, который получил докторскую степень в лаборатории Эсслингера и сейчас работает постдоком в Гарвардском университете, - но теперь нам удалось непосредственно наблюдать характер этих модусов, что диктуется симметрией."
Сомбреро в квантовом симуляторе
Для этого физики построили квантовый симулятор - лабораторную систему, то есть в которой квантовые явления можно изучать в чистом виде и в контролируемых условиях. Квантовый симулятор, используемый исследователями ETH, состоит из чрезвычайно холодных атомов рубидия, которые подвергаются воздействию нескольких световых волн. С помощью двух оптических резонаторов создается связь между атомами и световыми волнами, в результате чего форма потенциальной энергии атомов рубидия выглядит как вращательно-симметричная салатница. Координаты энергетической поверхности соответствуют интенсивности света в двух резонаторах. Лазерный луч, создающий так называемую оптическую решетку, можно затем использовать для изменения этой салатной поверхности таким образом, что при превышении критической силы лазерного луча она начинает напоминать мексиканское сомбреро с выпуклостью в центре..
При таких обстоятельствах, как и в случае с цилиндрическим стержнем, происходит спонтанное нарушение симметрии: точно так же, как стержень внезапно изогнулся в случайном пространственном направлении, атомы в эксперименте Эсслингера, начавшемся в середине салатница, теперь все вместе ищем новый энергетический минимум. Этот минимум может лежать где угодно вдоль канавки сомбреро, поскольку каждая точка вдоль канавки имеет одинаковую энергию. Это также означает, однако, что (с энергетической точки зрения) атомы могут коллективно перемещаться по канавке без какого-либо подвода энергии - это соответствует так называемой моде Голдстоуна. Напротив, если кто-то хочет подтолкнуть их радиально, от середины сомбреро или к ней, нужно обеспечить энергию, необходимую для этой моды Хиггса. Опять же, это можно сравнить с изогнутым стержнем, который легко вращать, но трудно сгибать дальше.
Режимы измерения в реальном времени
«Обычно моды Голдстоуна и Хиггса обнаруживаются косвенно через эту энергию, - говорит Андреа Моралес, аспирантка и член исследовательской группы, - но теперь мы можем изучать в режиме реального времени, как ведут себя эти моды». когда система возмущена». Для этого исследователи отправили короткий лазерный импульс в один из оптических резонаторов, а затем измерили интенсивность света в обоих резонаторах в зависимости от времени. Это позволило им рассчитать положение атомов внутри энергетического сомбреро. Как и ожидалось, после возбуждения голдстоуновской моды менялась только угловая координата вдоль канавки, тогда как в моде Хиггса менялась радиальная позиция.
Для Тилмана Эсслингера это прямое наблюдение важного и широко распространенного явления многих тел, которое до сих пор можно было наблюдать только косвенно, представляет собой одну из существенных сильных сторон квантового симулятора: «В тех синтетических квантовых системах мы имеем довольно идеальная реализация того, что происходит в природе - в твердых телах, а также в отдельных молекулах. Непосредственное наблюдение динамики мод Голдстоуна и Хиггса в квантовом симуляторе углубляет наше понимание того, что происходит в таких природных системах.