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量子規(guī)范理論通常被物理學家用來描述亞原子粒子、相關(guān)波場以及之間相互作用的數(shù)學構(gòu)造。這些理論概述的動力學難以計算，但在實驗室中有效地模擬它們可能會促使有價值的新見解和發(fā)現(xiàn)。在新的一項研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所的一組研究人員，成功地在實驗室實驗中實現(xiàn)了模擬量子規(guī)范理論的基本部分。通過在高度受控的環(huán)境中模擬量子系統(tǒng)，收集有趣的觀察結(jié)果，并拓寬對多體系統(tǒng)（即具有許多相互作用粒子的系統(tǒng)）的理解。
開展這項研究的研究人員之一蒂爾曼·埃斯林格(Tilman Esslinger)表示：通常，研究受到固體物理現(xiàn)象的啟發(fā)，比如復(fù)雜材料中電子的強相關(guān)相位。然而，在目前的研究中，研究人員希望擴大實驗平臺的范圍（即光學晶格中的超冷原子），以便研究高能和凝聚態(tài)物理中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。目的是證明在裝置中設(shè)計規(guī)范場是可能的，這些規(guī)范場是動態(tài)量子自由度，因為它們與物質(zhì)場耦合。規(guī)范場是幾種量子場論的重要組成部分，包括量子電動力學和色動力學。
這些理論描述了物理學各個領(lǐng)域中的一大類現(xiàn)象，如基本粒子物理、凝聚態(tài)物理和量子信息論。因此，在冷原子設(shè)置中實施規(guī)范場將能讓研究人員在實驗室中研究其中的一些現(xiàn)象。在研究中使用的方法是基于一種稱為Floquet工程的技術(shù)。這種方法用于隨著時間的推移周期性地調(diào)制量子系統(tǒng)，使得能夠在實驗期間實現(xiàn)在靜態(tài)系統(tǒng)中無法訪問的新物理模型。在實驗中，研究人員將鐵離子鉀原子冷卻到接近絕對零度的溫度。在這種情況下，量子效應(yīng)支配著粒子的行為。
這使得研究人員能夠在高度可控的環(huán)境中研究這些效應(yīng)。隨后，將冷卻的原子加載到由激光組成的人造晶體中，從而模擬特定的行為，例如，固態(tài)材料中電子的行為。為了設(shè)計密度依賴的Peierls相位，研究人員使用了Floquet方法，并沿著一個方向搖動光學晶格，這將能夠控制晶格相鄰位點之間原子的量子力學隧穿過程。通過使用相對相位驅(qū)動系統(tǒng)在兩個不同的頻率上，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)包含Peierls相位的復(fù)值隧道。結(jié)果，在實驗中使用的原子開始表現(xiàn)得就像暴露在一個合成規(guī)范場中一樣。
由于振動頻率被選擇為與粒子之間的相互作用共振，因此Peierls相位以及相關(guān)規(guī)范場取決于晶格中的原子配置。這就導致了物質(zhì)和規(guī)范場之間的反作用力機制：由于規(guī)范場的存在，原子將開始移動，這反過來又會改變規(guī)范場本身。在研究中，研究人員在晶格的單個環(huán)節(jié)上開發(fā)了一種測量方案。使用這種方案，測量了原子在第二個原子上隧穿時“拾取”的Peierls相位，并將其與在空位上跳躍時拾取的相位進行比較。研究人員觀察到，這兩個階段之間存在顯著差異，這表明與這些Peierls相關(guān)聯(lián)的規(guī)范場依賴于晶格點的占據(jù)。
這樣一個由耦合到動態(tài)規(guī)范場的原子組成強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，很難用經(jīng)典計算機上的數(shù)值模擬來處理，本研究是朝著晶格規(guī)范理論的實驗量子模擬邁出第一步，這可以為凝聚態(tài)物質(zhì)和高能物理中難以理解的現(xiàn)象提供新線索。進行的研究引入了一種新通用方法來實現(xiàn)和模擬不同類別的密度相關(guān)規(guī)范場。提出的技術(shù)可以為令人興奮的新物理觀察和理論鋪平道路。在未來的研究中，研究人員計劃用它來研究在擴展光學晶格中實現(xiàn)多體系統(tǒng)中動態(tài)規(guī)范場和原子之間的相互作用。
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