Lorsqu'elles sont exposées à la conduite périodique, qui est la manipulation dépendant du temps des paramètres d'un système, les systèmes quantiques peuvent présenter de nouvelles phases intéressantes de matière qui ne sont pas présentes dans des conditions indépendantes du temps (c.-à-d. Statique). Entre autres choses, la conduite périodique peut être utile pour l'ingénierie des champs de jauge synthétique, des constructions artificielles qui imitent le comportement des champs électromagnétiques et peuvent être exploités pour étudier la physique topologique de nombreux corps en utilisant des simulateurs quantiques d'atomes neutres.
Des chercheurs de Ludwig-Maximilians-Universität, du Max Planck Institute for Quantum Optics et du Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) ont récemment réalisé une phase de matière fortement en interaction dans les poseurs de flux bosoniques à grande échelle, connues comme la phase Mott-Meissner, en utilisant un simulateur quantum-atome neutre. Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour l'étude approfondie de la matière quantique topologique.
« Notre travail a été inspiré par un effort de longue date dans le domaine de la simulation quantique d'atomes neutres pour étudier les phases fortement interagissant de la matière en présence de champs magnétiques », a déclaré Alexander Impertro, premier auteur du journal, à Issues.fr. «L'interaction de ces deux ingrédients peut créer une variété de phases quantiques à plusieurs corps avec des propriétés exotiques.
« Bien que leurs mécanismes microscopiques soient généralement bien compris, les propriétés émergentes à plusieurs corps sont insaisissables et difficiles à sonder dans des solides conventionnels, avec un exemple notable étant l'effet (fractionnaire) de la salle quantique.
Les processus de chauffage provoqués par les techniques d'ingénierie Floquet sont connus pour détruire rapidement des états quantiques fragiles. En conséquence, la plupart des expériences précédentes sondant des phases exotiques quantum exotiques ne se sont concentrées que sur des systèmes non interactifs ou faiblement en interaction, tandis que ceux fortement corrélés sont restés limités à seulement deux particules.
Le premier objectif de la récente étude d'Impertro et de ses collègues a été de tirer parti des capacités d'une nouvelle plate-forme de simulation quantique expérimentale qu'ils ont développée pour réaliser des états quantiques à plusieurs corps avec des champs magnétiques artificiels et de fortes interactions produisant peu de chauffage. De plus, ils espéraient simuler des systèmes plus grands qui ont atteint bien au-delà des systèmes à deux particules réalisés dans les expériences précédentes.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des super-réseaux optiques, un réseau vertical d'espacement court et une résonance dite Feshbach qui fournit un bouton de réglage important. De plus, ils ont utilisé une technique récemment développée pour la mesure précise des courants de particules.
« En utilisant les superlattices optiques, nous avons partitionné un réseau optique bidimensionnel en un éventail indépendant de systèmes d'échelle, dans lesquels nous réalisons les études expérimentales », a expliqué Impertro. « De plus, les doubles puits qui forment les échelons des échelles sont également la base de la technique d'ingénierie Floquet que nous utilisons pour créer un champ magnétique artificiel.
« Intuitivement, la technique modifie le mouvement des particules dans le réseau en utilisant des faisceaux laser supplémentaires, ce qui à son tour imprime l'effet d'un champ magnétique sur les atomes pour imiter une force de lorentz ou une déviation du hall. »
Enfin, Impertro et ses collègues ont exploité la résonance Feshbach en césium. Cette propriété du césium leur a permis de régler la résistance à l'interaction entre les atomes sur une large plage, ce qui est important à la fois pour préparer les états quantiques en interaction fortement en interaction avec un faible chauffage et pour sonder la réponse des états quantiques à une résistance à l'interaction changeante.
« Les défis centraux que nous avons rencontrés lors de la préparation des états étaient de trouver des régimes de paramètres appropriés où le taux de chauffage en raison de la modulation périodique (ingénierie Floquet) est minime, ce qui est particulièrement difficile pour les grands systèmes à plusieurs corps, et pour trouver des chemins de préparation qui nous permettent de transformer adiabatiquement un état initial facile à prouver dans l'état quantique, sans créer des excitations »
« Enfin, une quantité centrale qui caractérise les états terrestres des échelles de flux, comme la phase Mott-Meissner, sont des courants de particules persistants. »
Notamment, les microscopes à gaz quantique comme celui utilisé par Impertro et ses collègues ne peuvent généralement mesurer que les densités locales et ne pas mesurer les courants. Pour permettre la mesure des courants, l'équipe a utilisé une technique de détection actuelle qu'ils ont développée dans le cadre de leurs études antérieures, en l'adaptant aux fins de leur expérience.
« Pour la première fois, nous avons pu préparer des états à basse température dans des systèmes quantiques conçus Floquet avec un grand nombre de particules et étudier au microscope leurs propriétés », a déclaré Impertro. «Nous avons également démontré la mesure des courants de particules avec une résolution spatiale complète à travers les grands systèmes, ce qui constitue une toute nouvelle façon de sonder cette physique en utilisant la microscopie à gaz quantique.
« Cela constitue une étape clé vers l'étude des phases fractionnaires de la salle quantique dans les systèmes quantiques synthétiques, qui est un objectif de longue date dans diverses communautés, allant des qubits supraconducteurs à la photonique, aux atomes neutres et aux réseaux d'atomes Rydberg. »
Impertro et ses collègues espèrent que leurs efforts récents éclaireront les futures études théoriques et expérimentales axées sur la physique topologique à plusieurs corps. À l'avenir, les méthodes qu'ils ont conçues pourraient aider à réaliser d'autres phases quantiques complexes qui se sont jusqu'à présent avérées difficiles à concevoir expérimentalement.
« D'une part, nous montrons qu'il est maintenant en effet possible de réaliser expérimentalement les systèmes en interaction avec un champ magnétique artificiel et d'atteindre des tailles de système importantes », a déclaré Impertro. « Cela propose un nouveau terrain de jeu pour la simulation quantique de systèmes à plusieurs corps dans et hors de l'équilibre dans des régimes qui sont extrêmement difficiles d'accès avec des techniques numériques classiques. D'un autre côté, une comparaison avec des simulations numériques nous a permis d'extraire une estimation de la température effective des états préparés. »
Les nouvelles méthodes introduites par Impertro et ses collègues pourraient bientôt permettre la validation de modèles théoriques de systèmes quantiques fortement interagisseurs, tout en contribuant potentiellement à l'avancement futur des technologies quantiques. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'explorer davantage le riche diagramme de phase des échelles de flux interagissant au-delà de la phase de Mott-Meissner, par exemple en sondant le vortex ou les états brisés par symétrie.
« Dans ces futures études, il sera central de réduire davantage les échelles de température accessibles expérimentalement, car beaucoup de ces phases sont encore plus fragiles », a ajouté Impertro. « De plus, un objectif à long terme est d'étendre la géométrie de l'échelle aux systèmes complets-2D, où la physique exotique telle que tout le monde dans les états fractionnaires de la salle quantique peut être étudiée. »
