Nossa compreensão moderna do mundo físico é baseada em teorias de calibre:modelos matemáticos da física teórica que descrevem as interações entre partículas elementares (como elétrons ou quarks) e explicam mecanicamente quântica três das forças fundamentais da natureza:as forças eletromagnética, fraca e forças fortes. A quarta força fundamental, a gravidade, é descrita pela teoria da relatividade geral de Einstein, que, embora ainda não compreendida no regime quântico, é também uma teoria de calibre. As teorias de calibre também podem ser usadas para explicar o comportamento quântico exótico dos elétrons em certos materiais ou os códigos de correção de erros que os futuros computadores quânticos precisarão para funcionar de forma confiável e são o cavalo de batalha da física moderna.
Para entender melhor essas teorias, uma possibilidade é realizá-las usando sistemas quânticos artificiais e altamente controláveis. Essa estratégia é chamada de simulação quântica e constitui um tipo especial de computação quântica. Foi proposto pela primeira vez pelo físico Richard Feynman na década de 80, mais de quinze anos depois de receber o prêmio Nobel de física por seu trabalho teórico pioneiro sobre as teorias de calibre.

A simulação quântica pode ser vista como um jogo quântico LEGO onde físicos experimentais dão realidade a modelos teóricos abstratos. Eles os constroem em laboratório "tijolo quântico por tijolo quântico", usando sistemas quânticos muito bem controlados, como átomos ou íons ultrafrios. Depois de montar um protótipo quântico de LEGO para um modelo específico, os pesquisadores podem medir suas propriedades com muita precisão em laboratório e usar seus resultados para entender melhor a teoria que ele imita. Durante a última década, a simulação quântica foi intensamente explorada para investigar materiais quânticos. No entanto, jogar o jogo LEGO quântico com teorias de calibre é fundamentalmente mais desafiador. Até agora, apenas a força eletromagnética podia ser investigada dessa maneira.

Em um estudo recente publicado na Nature , os pesquisadores experimentais do ICFO Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri e Cesar Cabrera, liderados pelo ICREA Prof. do ICFO Leticia Tarruell, em colaboração com Alessio Celi, pesquisador teórico do programa Talent da Universidade Autônoma de Barcelona, foram capazes de simular uma teoria de calibre diferente do eletromagnetismo pela primeira vez, usando átomos ultrafrios.

Uma teoria de calibre para fótons muito pesados

A equipe se propôs a realizar em laboratório uma teoria de calibre pertencente à classe de teorias de calibre topológica, diferente da classe de teorias de calibre dinâmico à qual pertence o eletromagnetismo.

Na linguagem da teoria de calibre, a força eletromagnética entre dois elétrons surge quando eles trocam um fóton:uma partícula de luz que pode se propagar mesmo quando a matéria está ausente. No entanto, em materiais quânticos bidimensionais sujeitos a campos magnéticos muito fortes, os fótons trocados pelos elétrons se comportam como se fossem extremamente pesados ​​e só podem se mover enquanto estiverem presos à matéria.

Como resultado, os elétrons têm propriedades muito peculiares:eles só podem fluir pelas bordas do material, em uma direção que é definida pela orientação do campo magnético, e sua carga torna-se aparentemente fracionária. Esse comportamento é conhecido como efeito Hall quântico fracionário e é descrito pela teoria do calibre de Chern-Simons (em homenagem aos matemáticos que desenvolveram um de seus elementos-chave). O comportamento dos elétrons restritos a uma única borda do material também deve ser descrito por uma teoria de calibre, neste caso chamada BF quiral, que foi proposta na década de 90, mas não realizada em laboratório até que pesquisadores do ICFO e da UAB a retiraram do congelador.

Uma nuvem ultrafria que não se comporta como sua imagem espelhada

Para dar realidade a essa teoria do medidor topológico e simulá-la em seu experimento, a equipe usou uma nuvem de átomos resfriados a temperaturas cerca de um bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Como espécie atômica eles escolheram o potássio, porque um de seus isótopos tem dois estados que interagem com diferentes forças e podem ser usados ​​como tijolos quânticos para construir a teoria de calibre BF quiral. Eles então lançaram luz laser para combinar os dois estados em um único novo.

Essa técnica, chamada de "vestir os átomos com luz", fez com que eles adquirissem interações peculiares cuja força e sinal dependiam da velocidade da nuvem. Finalmente, eles criaram um guia de ondas óptico que restringiria o movimento dos átomos a uma linha e usaram lasers adicionais para chutar a nuvem e fazê-la se mover em diferentes velocidades ao longo dela.

Em condições normais, deixar os átomos evoluírem livremente no guia de ondas resultaria na expansão da nuvem. No entanto, com a luz do curativo acesa, as imagens dos átomos tiradas em laboratório mostraram um comportamento completamente diferente.

Como explica Ramon Ramos, “em nosso sistema, quando os átomos se movem para a direita, suas interações são atrativas e cancelam o comportamento dos átomos que tentam se expandir. palavras técnicas, percebemos um sóliton. Mas, se os átomos se movem para a esquerda, esses átomos se expandem como gás normal."

A observação de átomos que se comportam de forma diferente quando se movem em direções opostas demonstra que o sistema é quiral, ou seja, diferente de sua imagem especular. “Quando observamos pela primeira vez o efeito das interações quirais em nossa nuvem atômica, não estávamos tentando simular uma teoria de calibre. Mas os dados eram tão bonitos e intrigantes que sentimos que realmente precisávamos entender melhor seu significado. me fez mudar completamente os planos de pesquisa da equipe", diz Leticia Tarruell.

A equipe rapidamente descobriu que suas observações estavam conectadas a um artigo teórico publicado dez anos antes, que propunha usar uma configuração quase idêntica para estudar um tipo modificado de eletromagnetismo. No entanto, os resultados do experimento nunca pareciam concordar com suas expectativas. Como lembra Craig Chisholm, inicialmente "os resultados que estávamos obtendo não pareciam em nada alinhados com nenhuma teoria. O desafio era entender em qual regime você tinha que estar para realmente ver o efeito correto vindo do lugar correto e eliminar o efeito vindo do lugar errado".

Para a equipe experimental, o significado do eletromagnetismo modificado mencionado no artigo também não era muito claro. Citou artigos de física matemática dos anos 90, que estabeleceram a conexão com as teorias de calibre usadas para descrever o efeito Hall quântico fracionário. No entanto, como diz Tarruell, "para físicos atômicos experimentais como nós, o conteúdo desses trabalhos era muito difícil de entender, porque eles foram escritos em uma linguagem de física matemática completamente diferente da nossa. Foi realmente frustrante saber que a resposta às nossas perguntas estava lá, mas não conseguíamos entendê-la! Foi quando decidimos que precisávamos trazer um teórico para a cena."

Uma colaboração muito frutífera da teoria do experimento

Para o físico teórico Alessio Celi, que trabalhou por muitos anos em física de alta energia e gravidade antes de mudar para a simulação quântica, ler os artigos originais da teoria de calibre era fácil. Ao mesmo tempo, ele podia entender o regime em que os experimentos poderiam ser realizados e seus desafios. Ele sentou-se com a equipe experimental e, após várias discussões, surgiu um modelo que poderia explicar adequadamente os resultados experimentais.

Como ele explica, "o principal problema que tivemos foi entrar na estrutura certa. Uma vez que você sabia onde procurar, tornou-se um problema fácil de resolver". Notavelmente, havia um regime de parâmetros em que esse modelo era exatamente a teoria de calibre topológica proposta 30 anos antes para descrever o comportamento dos elétrons nas bordas de materiais quânticos fracionários de Hall.

"Acho que este projeto nos mostra a força das colaborações interdisciplinares. A combinação de ferramentas experimentais da física de temperatura ultrabaixa e ferramentas teóricas da física de alta energia tornou todos nós físicos melhores e resultou na primeira simulação quântica de uma teoria de calibre topológico," conclui Tarruell.

A equipe já está pronta para explorar as novas direções de pesquisa abertas por este projeto. Seu objetivo agora é tentar expandir os experimentos e a teoria de uma linha para um plano, o que permitiria observar o efeito Hall quântico fracionário sem a necessidade de um material quântico. Isso daria acesso a quase-partículas exóticas, chamadas anyons, que no futuro poderiam ser usadas para formas mais robustas de computação quântica. + Explorar mais

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