Selective Control and Imaging of Higgs and Goldstone Modes with a Quantum Simulator

In der physischen Welt besitzen viele Systeme ein verborgenes Potenzial für Symmetrie, das sie letztlich nicht nutzen. Betrachten wir einen Magneten: Die Gesetze der Physik behandeln alle Richtungen gleich, doch ein Magnet wählt spontan ein spezifisches Nord- und Südende aus und bricht damit diese perfekte Balance. Dieses Phänomen, bekannt als spontane Symmetriebrechung, ist ein grundlegendes Prinzip, das alles erklärt – von der Funktionsweise von Magneten bis hin zur Frage, warum Teilchen eine Masse besitzen. Wenn ein System diese Symmetrie bricht, pendelt es nicht einfach nur in einen neuen Zustand ein; es bringt auch Rippel oder kollektive Schwingungen hervor, die sich durch das Material bewegen. In der Welt der Superfluide – Flüssigkeiten, die reibungsfrei fließen – treten diese Rippel in zwei unterschiedlichen Ausprägungen auf. Eine Art besteht darin, dass die Flüssigkeit in ihrer Dichte vor und zurück schwappt, wie eine Welle, die über einen Teich zieht. Die andere Art beinhaltet, dass die Flüssigkeit in ihrer Stärke pulsiert, also expandiert und kontrahiert, ohne ihre Gesamtdichte zu verändern, ähnlich wie eine atmende Lunge. Ersteres ist eine gut verstandene Welle, während letzteres – eine weitaus schwer fassbare Vibration der eigentlichen Stärke des Systems – eine notorisch schwierige Angelegenheit war, um sie zu isolieren und zu untersuchen.

Einem Forschungsteam ist es nun gelungen, diese zwei unterschiedlichen Schwingungen in einer kontrollierten Laborumgebung zu isolieren und zu visualisieren, indem sie einen Quantensimulator aufgebaut haben, der aus supraleitenden Schaltkreisen besteht. Durch die Erstellung eines winzigen, zweidimensionalen Gitters aus künstlichen Atomen konnten sie diese Moden anregen und ihr Verhalten mit einer Präzision beobachten, die in größeren, natürlichen Systemen unmöglich ist. Das Experiment konzentrierte sich auf einen spezifischen Materiezustand, in dem die künstlichen Atome in einem Gitter angeordnet sind, wobei im Durchschnitt genau ein Teilchen auf jedem Platz sitzt. In diesem Zustand verhält sich das System wie ein Superfluid. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch eine sorgfältige Feinabstimmung der Verbindungen zwischen den Atomen das gesamte Gitter in seiner Stärke pulsieren lassen konnten, was die schwer fassbare „atmende“ Vibration erzeugte. Umgekehrt konnten sie durch das Anlegen eines spezifischen Musters lokaler Druck- und Zugbewegungen die Dichtewellen erzeugen. Entscheidend war ihre Entdeckung, dass diese atmende Vibration in ihrem kleinen, endlichen System nicht schnell abklingt. Stattdessen bleibt sie über eine lange Zeit ein scharfes, klares Signal, ein Verhalten, das in starkem Kontrast zu dem steht, was in der unendlichen, makroskopischen Welt geschieht.

Die Forscher erreichten dies durch den Bau eines Gitters aus Transmon-Qubits, einem Typ von supraleitenden Schaltkreisen, der als künstliches Atom fungieren kann. Sie programmierten diese Schaltkreise so, dass sie das Bose-Hubbard-Modell nachahmen, ein theoretisches Rahmenwerk, das beschreibt, wie Teilchen interagieren, wenn sie zwischen Standorten in einem Gitter springen. In ihrem Aufbau konnte die Stärke der Wechselwirkung zwischen benachbarten Standorten sowie die Energie, die erforderlich ist, um ein Teilchen an einem bestimmten Ort zu halten, abgestimmt werden. Das Team arbeitete in einem Bereich, in dem das Gitter im Durchschnitt mit genau einem Teilchen pro Standort gefüllt war – eine Bedingung, die das Entstehen von Superfluidität ermöglicht. Um zu sehen, was geschah, maßen sie nicht den abstrakten „Ordnungsparameter“, den Physiker üblicherweise zur Beschreibung von Superfluiden verwenden, sondern betrachteten direkt die Anzahl der Teilchen an jedem Standort. Sie fanden heraus, dass, wenn das System in der „atmenden“ Mode schwingt, die Anzahl der Standorte, die gleichzeitig zwei Teilchen halten, synchron mit der Anzahl der leeren Standorte ansteigt und sinkt, während die Gesamtzahl der Teilchen konstant bleibt. Diese Oszillation zwischen dem Vorhandensein von zwei Teilchen und dem Fehlen jeglicher Teilchen, während der Durchschnitt gleich bleibt, ist die Signatur der Amplitudenmode.

Um diese spezifische Vibration auszulösen, wandten die Forscher eine uniforme Modulation auf die Verbindungen zwischen allen Standorten gleichzeitig an. Dieser globale Druck und Zug auf die Verbindungen bewirkte, dass das gesamte Gitter in seiner internen Struktur expandierte und kontrahierte. Sie detektierten die resultierende Oszillation, indem sie den Anteil der Standorte maßen, die zwei Teilchen hielten – eine Größe, die sie den „Doublon-Anteil“ nennen. Die Daten zeigten einen klaren, rhythmischen Anstieg und Abfall dieses Anteils, was bestätigte, dass das System in der Amplitudenmode vibriert. In einem separaten Satz von Experimenten regten sie die Dichtewellenmode an, indem sie ein räumlich variierendes Potenzial anlegten, was im Wesentlichen bedeutet, dass sie die Teilchen in einem wellenartigen Muster über das Gitter hinweg drückten. Dies verursachte, dass die lokale Teilchendichte auf und ab ging, während die Welle durch das Gitter wanderte. Die beiden Moden reagierten auf unterschiedliche Arten von Inputs und interferierten nicht miteinander, was bestätigte, dass es sich um unterschiedliche physikalische Phänomene mit verschiedenen Symmetrien handelt.

Eine zentrale Entdeckung dieser Arbeit ist, wie die Größe des Systems die Lebensdauer dieser Schwingungen beeinflusst. In einem theoretischen, unendlich großen System wird erwartet, dass die „atmende“ Mode schnell zerfällt. Dies geschieht dadurch, dass sie in Paare von niederenergetischen Dichtewellen zerfällt – ein Prozess, der das Signal verschwimmen lässt und es schwierig macht, es zu beobachten. In dem mesoskopischen System der Forscher, das aus Gittern mit Größen von 4x4 bis 7x7 Standorten bestand, war dieser Zerfallskanal jedoch blockiert. Da das System endlich war, waren die möglichen Zuständen niedrigerer Energie keine kontinuierliche Strömung, sondern ein diskretes Set von Stufen. Diese Diskretion verhinderte, dass die atmende Mode leicht zerfallen konnte, wodurch sie als kohärente, langlebige Anregung bestehen blieb. Die Forscher beobachteten dies, indem sie die Verbindungen zwischen den Standorten modulierten und das System über die Zeit beobachteten. Sie sahen, wie der Doublon-Anteil über hunderte von Nanosekunden oszillierte – eine Dauer, die in einem größeren System, in dem das Signal fast sofort ausgewaschen worden wäre, unmöglich gewesen wäre.

Das Team kartierte zudem ab, wie sich diese Schwingungen verändern, wenn sich das System von einem Zustand, in dem die Teilchen an Ort und Stelle feststecken, in den Superfluid-Zustand bewegt. Sie variierten die Stärke des Sprungs (Hopping) zwischen den Standorten und maßen die Frequenz der Schwingungen. Sie fanden heraus, dass die Frequenz der atmenden Mode an einem spezifischen Punkt ein Minimum erreichte, welcher dem Übergang zwischen dem isolierenden und dem Superfluid-Zustand entspricht. Die Dichtewellenmode hingegen zeigte ein anderes Verhalten, wobei ihre Frequenz sank, während das System zunehmend superfluid wurde. Durch den Vergleich ihrer experimentellen Ergebnisse mit numerischen Simulationen bestätigten sie, dass ihre Beobachtungen mit den theoretischen Vorhersagen für diese endlichen Systeme übereinstimmten. Die Simulationen zeigten, dass mit zunehmender Systemgröße die diskreten Spitzen der atmenden Mode beginnen zu verschmelzen und schließlich das breite, undeutliche Merkmal bilden, das im thermodynamischen Limes erwartet wird.

Diese Arbeit zeigt, dass endliche Quantensimulatoren als leistungsstarke Werkzeuge dienen können, um physikalische Phänomene zu untersuchen, die in der großskaligen Grenze oft verborgen bleiben. Indem sie mit einem System arbeiteten, das klein genug war, um kontrolliert zu werden, aber groß genug, um kollektives Verhalten zu zeigen, konnten die Forscher die Higgs-ähnliche Amplitudenmode isolieren und klar beobachten. Sie zeigten, dass die endliche Größe des Systems, die in Experimenten oft als Einschränkung gilt, hier tatsächlich einen einzigartigen Vorteil bietet, indem sie Spektrallücken schafft, die die Anregung vor dem Zerfall schützen. Die Fähigkeit, diese Moden selektiv anzuregen und zu detektieren, ohne den abstrakten Ordnungsparameter direkt messen zu müssen, eröffnet neue Wege für die Untersuchung der Dynamik der Symmetriebrechung. Die Ergebnisse liefern ein klares, experimentelles Bild davon, wie kollektive Anregungen in einer kontrollierten Umgebung reagieren, und schlagen eine Brücke zwischen mikroskopischer Quantenmechanik und makroskopischen physikalischen Gesetzen.