Simulation fundamentaler Wechselwirkungen

Die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Teilchen werden durch Eichbosonen übertragen. Im Allgemeinen werden diese Wechselwirkungen durch Eichtheorien beschrieben, die jedoch über weite Parameterbereiche schwer zu analysieren sind. Daher ist es ein wichtiges Ziel, solche Theorien mit auf die jeweilige Fragestellung zugeschnittenen Quantensimulatoren zu untersuchen. Wissenschaftler der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben nun erfolgreich Schlüsselbausteine einer speziellen Gittereichtheorie in Zusammenarbeit mit Physikern der TU München, der Universität Harvard und der ULB Brüssel realisiert. Dazu verwendeten sie ein zweikomponentiges Gas aus ultrakalten Bosonen in einem optischen Übergitter. Das Resultat der Studie ist aktuell im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht und wurde durch einen “News and Views”-Artikel gewürdigt.

Wie wechselwirken die elementaren Bausteine des Universums miteinander? Eine der größten Herausforderungen in der modernen Physik ist es, die elementaren Bestandteile von Materie zu identifizieren sowie die Art und Weise, wie diese Teilchen miteinander interagieren. Dieses grundlegende Problem findet sich in vielen Bereichen der Physik wieder, unter anderem in der Teilchen-, und Festkörperphysik sowie bei der Entwicklung von Quantencomputern. Obwohl es bereits zahlreiche bemerkenswerte Erfolge gibt, die beispielsweise die Existenz einer Vielzahl von Elementarteilchen und von neuartigen, exotischen Materiezuständen bestätigen, bleiben dennoch viele grundlegende Fragen bisher unbeantwortet. Ein bekanntes Beispiel ist das immer noch unvollständige Phasendiagramm der Quantenchromodynamik, welche die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen beschreibt.

Neue Möglichkeiten mithilfe von Quantensimulationen Quantensimulatoren sind ein vielversprechender Ansatz, um die grundlegenden, von Eichfeldern übertragenen Wechselwirkungen zwischen (Quasi-)Teilchen zu verstehen. Das ist insbesondere den experimentellen Fortschritten zu verdanken, die in den letzten Jahren gemacht wurden, speziell was die Kontrolle einzelner Quantenteilchen wie Ionen, Photonen und Atomen angeht. Das Konzept der Quantensimulatoren wurde ursprünglich vom Nobelpreisträger Richard Feynman vorgeschlagen. Die Grundidee ist, ein Quantenvielteilchensystem zu erzeugen, das die Eigenschaften eines bestimmten theoretischen Modells abbildet. Das erlaubt einen klaren Blick auf grundlegende physikalische Phänomene in einer kontrollierten Laborumgebung. Um die Eigenschaften exotischer Quantenphasen von Materie zu untersuchen, wurden Quantensimulatoren aus ultrakalten Atomen in optischen Gittern entwickelt. Eichfelder zu simulieren, ist allerdings sehr schwierig, weil es die exakte Umsetzung von Materieteilchen und Eichfeldern voraussetzt, welche zudem einer lokalen Eichfeldsymmetrie folgend interagieren.

Von Eichfeldern übertragene Wechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Atomen Ein Team aus Physikern um Professor Monika Aidelsburger und Professor Immanuel Bloch an der LMU und dem MPQ haben nun erstmals die zugrundeliegenden Bausteine einer speziellen, minimalen Gittereichtheorie erfolgreich realisiert. Diese Z2-Gittereichtheorie spielt eine entscheidende Rolle in der Festkörperphysik sowie bei der Entwicklung von Quantencomputern. Dazu verwendete das Team einen kontrollierbaren Quantensimulator aus ultrakalten bosonischen Teilchen in einem zweifarbigen optischen Gitter. In diesem Gitter werden je zwei Teilchen in einem Doppeltopf isoliert betrachtet. Dies entspricht dem Grundbaustein der Z2-Gittereichtheorie und eröffnet somit die Möglichkeit in zukünftigen Experimenten erweiterte Modelle zu realisieren. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen wurden mit intensitätsmodulierten Laserstrahlen erzeugt. Die größte Herausforderung war die Einführung definierter, lokaler Wechselwirkungen zwischen “Materieteilchen” und “Eichbosonen”, welche die Wechselwirkung weiterleiten. Die Experimentatoren nutzten dafür zwei verschiedene elektronische Zustände der Atome um die verschiedenen Teilchen darzustellen, und adressierten die Atome zustandsabhängig, um die Wechselwirkung zu realisieren. Das Team validierte diesen neuartigen Ansatz mit periodisch getriebenen Gittern durch zustands- und lokal aufgelöstes Messen der Atomdynamik. Weil die mikroskopischen Parameter des Modells detailliert untersucht wurden, erlaubte dies außerdem zu skizzieren, wie zukünftige Experimente in erweiterten Geometrien und höheren Dimensionen aussehen könnten.

Christian Schweizer, der Erstautor dieser Studie, fasst zusammen: “Es ist noch ein langer Weg bis die aktuellen experimentellen Plattformen soweit sind, Licht ins Dunkel des Phasendiagramms der Quantenchromodynamik zu bringen. Trotzdem sind es aufregende Zeiten, um mit Quantensimulatoren zu arbeiten, die sich in bemerkenswerter Geschwindigkeit entwickeln.” Die Autoren haben die ersten Schritte eines langen Weges gemeistert, um Fragen der Teilchenphysik mit Experimenten im Labor zu beantworten. Diese Studie präsentiert eine Alternative zu bisherigen Protokollen, um die experimentellen Herausforderungen zu lösen, die bei der Simulation fundamentaler Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen auftreten.Nature Physics 2019

For more information, see : Nature Physics: News and Views article Quantum Physics: A Bridge to the Quantum World