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

En el mundo físico, muchos sistemas poseen un potencial oculto de simetría que finalmente deciden no utilizar. Considere un imán: las leyes de la física tratan todas las direcciones por igual, pero un imán elige espontáneamente un norte y un sur específicos, rompiendo ese equilibrio perfecto. Este fenómeno, conocido como ruptura espontánea de la simetría, es un principio fundamental que explica desde cómo funcionan los imanes hasta por qué las partículas tienen masa. Cuando un sistema rompe esta simetría, no solo se establece en un nuevo estado, sino que también da lugar a ondulaciones, o vibraciones colectivas, que se desplazan a través del material. En el ámbito de los superfluidos —fluidos que fluyen sin fricción— estas ondulaciones se presentan en dos sabores distintos. Un tipo implica que el fluido se balancea hacia adelante y hacia atrás en su densidad, como una ola moviéndose a través de un estanque. El otro implica que el fluido pulsa en su fuerza, expandiéndose y contrayéndose como un pulmón que respira, sin cambiar su densidad total. El primero es una onda bien comprendida, mientras que el segundo, una vibración más elusiva de la propia fuerza del sistema, ha sido notoriamente difícil de aislar y estudiar.

Un equipo de investigadores ha logrado ahora aislar y visualizar estas dos vibraciones distintas en un entorno de laboratorio controlado, utilizando un simulador cuántico construido a partir de circuitos superconductores. Al crear una cuadrícula de dos dimensiones de átomos artificiales, pudieron excitar y observar el comportamiento de estos modos con una precisión que es imposible en sistemas naturales más grandes. El experimento se centró en un estado específico de la materia donde los átomos artificiales están dispuestos en una cuadrícula, con exactamente una partícula sentada en cada lugar en promedio. En este estado, el sistema se comporta como un superfluido. Los investigadores descubrieron que, al ajustar cuidadosamente las conexiones entre los átomos, podían hacer que toda la cuadrícula pulsara en fuerza, creando la elusiva vibración de "respiración". Por el contrario, al aplicar un patrón específico de empujes y tirones locales, podían generar las ondas de densidad. Crucialmente, descubrieron que en su pequeño sistema finito, la vibración de respiración no se desvanece rápidamente. En su lugar, permanece como una señal nítida y clara durante mucho tiempo, un comportamiento que contrasta fuertemente con lo que sucede en el mundo macroscópico e infinito.

Los investigadores lograron esto construyendo una red de cúbits transmon, un tipo de circuito superconductor que puede actuar como un átomo artificial. Programaron estos circuitos para imitar el modelo de Bose-Hubbard, un marco teórico que describe cómo interactúan las partículas cuando saltan entre sitios en una cuadrícula. En su configuración, la fuerza de la interacción entre sitios vecinos podía sintonizarse, así como el costo energético de tener una partícula sentada en un sitio específico. El equipo trabajó en un régimen donde la cuadrícula estaba llena con exactamente una partícula por sitio en promedio, una condición que permite la emergencia de la superfluididad. Para ver qué estaba sucediendo, no midieron el "parámetro de orden" abstracto que los físicos suelen usar para describir los superfluidos. En su lugar, observaron directamente el número de partículas en cada sitio. Descubrieron que cuando el sistema vibraba en el modo de "respiración", el número de sitios que contenían dos partículas a la vez subía y bajaba en sincronía con el número de sitios vacíos, mientras que el número total de partículas permanecía constante. Esta oscilación entre tener dos partículas y no tener ninguna, mientras el promedio se mantiene igual, es la firma del modo de amplitud.

Para activar esta vibración específica, los investigadores aplicaron una modulación uniforme a las conexiones entre todos los sitios simultáneamente. Este empuje y tirón global en los enlaces hizo que toda la cuadrícula se expandiera y contrajera en su estructura interna. Detectaron la oscilación resultante midiendo la fracción de sitios que contenían dos partículas, una cantidad que llaman fracción de dublones. Los datos mostraron un ascenso y descenso rítmico y claro en esta fracción, confirmando que el sistema estaba vibrando en el modo de amplitud. En un conjunto separado de experimentos, excitaron el modo de onda de densidad aplicando un potencial espacialmente variable, esencialmente empujando las partículas en un patrón de onda a través de la cuadrícula. Esto causó que la densidad local de partículas subiera y bajara a medida que la onda viajaba a través de la red. Los dos modos respondieron a diferentes tipos de entradas y no interfirieron entre sí, confirmando que son fenómenos físicos distintos con diferentes simetrías.

Un descubrimiento clave de este trabajo es cómo el tamaño del sistema afecta la vida útil de estas vibraciones. En un sistema teóricamente infinito, se espera que el modo de "respiración" decaiga rápidamente. Lo hace al fragmentarse en pares de ondas de densidad de menor energía, un proceso que nubla la señal y hace que sea difícil de observar. Sin embargo, en el sistema mesoscópico de los investigadores, que consistía en cuadrículas que iban desde 4x4 hasta 7x7 sitios, este canal de decaimiento estaba bloqueado. Debido a que el sistema era finito, los posibles estados de menor energía no eran un flujo continuo, sino un conjunto discreto de pasos. Esta discreción impidió que el modo de respiración se fragmentara fácilmente, permitiéndole persistir como una excitación coherente y de larga duración. Los investigadores observaron esto mediante el aumento gradual de las conexiones entre los sitios y observando la evolución del sistema a lo largo del tiempo. Vieron que la fracción de dublones oscilaba durante cientos de nanosegundos, una duración que sería imposible en un sistema más grande donde la señal se habría desvanecido casi de inmediato.

El equipo también mapeó cómo cambian estas vibraciones a medida que el sistema se mueve de un estado donde las partículas están atrapadas en su lugar hacia el estado de superfluido. Variaron la fuerza del salto entre los sitios y midieron la frecuencia de las vibraciones. Encontraron que la frecuencia del modo de respiración alcanzó un mínimo en un punto específico, que corresponde a la transición entre las fases aislante y de superfluido. El modo de onda de densidad, por otro parte, mostró un comportamiento diferente, con su frecuencia cayendo a medida que el sistema se volvía más superfluido. Al comparar sus resultados experimentales con simulaciones numéricas, confirmaron que sus observaciones coincidían con las predicciones teóricas para estos sistemas de tamaño finito. Las simulaciones mostraron que, a medida que el tamaño del sistema aumenta, los picos discretos del modo de respiración comienzan a fusionarse, formando eventualmente la característica amplia e indistinta esperada en el límite termodinámico.

Este trabajo demuestra que los simuladores cuánticos finitos pueden actuar como herramientas poderosas para sondear fenómenos físicos que a menudo están oscurecidos en el límite de gran escala. Al trabajar con un sistema lo suficientemente pequeño como para ser controlado pero lo suficientemente grande como para exhibir un comportamiento colectivo, los investigadores pudieron aislar el modo de amplitud tipo Higgs y observarlo claramente. Demostaron que el tamaño finito del sistema, a menudo considerado una limitación en los experimentos, en realidad proporciona una ventaja única al crear brechas espectrales que protegen la excitación de decaer. La capacidad de excitar y detectar selectivamente estos modos sin necesidad de medir directamente el parámetro de orden abstracto abre nuevas vías para estudiar la dinámica de la ruptura de la simetría. Los resultados proporcionan una imagen experimental clara de cómo se comportan las excitaciones colectivas en un entorno controlado, tendiendo un puente entre la mecánica cuántica microscópica y las leyes físicas macroscópicas.