量子規范理論通常被物理學家用來描述亞原子粒子、相關波場以及之間相互作用的數學構造。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現。在新的一項研究中，蘇黎世聯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了模擬量子規范理論的基本部分。通過在高度受控的環境中模擬量子系統，收集有趣的觀察結果，并拓寬對多體系統（即具有許多相互作用粒子的系統）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象的啟發，比如復雜材料中電子的強相關相位。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物理中出現的新現象。目的是證明在裝置中設計規范場是可能的，這些規范場是動態量子自由度，因為它們與物質場耦合。規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域中的一大類現象，如基本粒子物理、凝聚態物理和量子信息論。因此，在冷原子設置中實施規范場將能讓研究人員在實驗室中研究其中的一些現象。在研究中使用的方法是基于一種稱為Floquet工程的技術。這種方法用于隨著時間的推移周期性地調制量子系統，使得能夠在實驗期間實現在靜態系統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，量子效應支配著粒子的行為。
這使得研究人員能夠在高度可控的環境中研究這些效應。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，固態材料中電子的行為。為了設計密度依賴的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動系統在兩個不同的頻率上，研究人員能夠實現包含Peierls相位的復值隧道。結果，在實驗中使用的原子開始表現得就像暴露在一個合成規范場中一樣。
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相位以及相關規范場取決于晶格中的原子配置。這就導致了物質和規范場之間的反作用力機制：由于規范場的存在，原子將開始移動，這反過來又會改變規范場本身。在研究中，研究人員在晶格的單個環節上開發了一種測量方案。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相關聯的規范場依賴于晶格點的占據。
這樣一個由耦合到動態規范場的原子組成強關聯系統，很難用經典計算機上的數值模擬來處理，本研究是朝著晶格規范理論的實驗量子模擬邁出第一步，這可以為凝聚態物質和高能物理中難以理解的現象提供新線索。進行的研究引入了一種新通用方法來實現和模擬不同類別的密度相關規范場。提出的技術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多體系統中動態規范場和原子之間的相互作用。
博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys
參考期刊《自然物理》
DOI: 10.1038/s41567-019-0615-4
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