При воздействии периодического управления, которое представляет собой зависящую от времени манипуляцию параметрами системы, квантовые системы могут демонстрировать интересные новые фазы материи, которые не присутствуют в независимых от времени (т. е. статических) условиях. Помимо прочего, периодическое управление может быть полезным для проектирования синтетических калибровочных полей, искусственных конструкций, которые имитируют поведение электромагнитных полей и могут быть использованы для изучения топологической физики многих тел с использованием квантовых симуляторов нейтральных атомов.

Исследователи из Ludwig-Maximilians-Universität, Max Planck Institute for Quantum Optic и Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) недавно реализовали сильно взаимодействующую фазу материи в крупномасштабных бозонных потоковых лестницах, известную как фаза Мотта-Мейсснера, используя квантовый симулятор нейтрального атома. Их статья, опубликованная в Nature Physics, может открыть новые захватывающие возможности для углубленного изучения топологической квантовой материи.

«Наша работа была вдохновлена ​​давними усилиями в области квантового моделирования нейтральных атомов по изучению сильно взаимодействующих фаз материи в присутствии магнитных полей», — рассказал Phys.org Александр Импертро, первый автор статьи. «Взаимодействие этих двух ингредиентов может создавать различные квантовые многочастичные фазы с экзотическими свойствами.

«Хотя их микроскопические механизмы обычно хорошо поняты, возникающие многочастичные свойства неуловимы и их трудно исследовать в обычных твердых телах, ярким примером чего является (дробный) квантовый эффект Холла. К сожалению, оказалось, что инженерный метод Флоке, который является одним из основных методов получения эффективного магнитного поля для нейтральных атомов, обычно вызывает сильный нагрев во взаимодействующих квантовых системах».

Известно, что процессы нагрева, вызванные инженерными методами Флоке, быстро разрушают хрупкие квантовые состояния. В результате большинство предыдущих экспериментов, исследующих экзотические квантовые многочастичные фазы, были сосредоточены только на невзаимодействующих или слабо взаимодействующих системах, в то время как сильно коррелированные оставались ограниченными только двумя частицами.

Первой целью недавнего исследования Импертро и его коллег было использование возможностей новой экспериментальной платформы квантового моделирования, которую они разработали, для реализации квантовых многочастичных состояний с искусственными магнитными полями и сильными взаимодействиями, производящими мало нагрева. Кроме того, они надеялись смоделировать более крупные системы, которые значительно превосходили двухчастичные системы, реализованные в предыдущих экспериментах.

В своих экспериментах исследователи использовали оптические сверхрешетки, вертикальную решетку с короткими интервалами и так называемый резонанс Фешбаха, который обеспечивает важную ручку настройки. Кроме того, они использовали недавно разработанную технику для точного измерения токов частиц.

«Используя оптические сверхрешетки, мы разделили двумерную оптическую решетку на независимый массив лестничных систем, в которых мы реализуем экспериментальные исследования», — пояснил Импертро. «Кроме того, двойные ямы, которые образуют перекладины лестниц, также являются основой для инженерной техники Флоке, которую мы используем для создания искусственного магнитного поля».

«Интуитивно понятно, что этот метод изменяет движение частиц в решетке с помощью дополнительных лазерных лучей, которые, в свою очередь, передают воздействие магнитного поля на атомы, имитируя силу Лоренца или отклонение Холла».

Наконец, Импертро и его коллеги использовали резонанс Фешбаха в цезии. Это свойство цезия позволило им настраивать силу взаимодействия между атомами в широком диапазоне, что важно как для подготовки желаемых сильно взаимодействующих квантовых состояний с низким нагревом, так и для исследования реакции квантовых состояний на изменяющуюся силу взаимодействия.