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

Dans le monde physique, de nombreux systèmes possèdent un potentiel caché de symétrie qu'ils choisissent finalement de ne pas utiliser. Prenons un aimant : les lois de la physique traitent toutes les directions de la même manière, pourtant un aimant choisit spontanément un nord et un sud spécifiques, brisant ainsi cet équilibre parfait. Ce phénomène, connu sous le nom de brisure spontanée de symétrie, est un principe fondamental qui explique tout, du fonctionnement des aimants à la raison pour laquelle les particules possèdent une masse. Lorsqu'un système brise cette symétrie, il ne se contente pas de s'installer dans un nouvel état ; il donne également naissance à des ondulations, ou vibrations collectives, qui se propagent à travers le matériau. Dans le domaine des superfluides — des fluides qui s'écoulent sans friction — ces ondulations se présentent sous deux formes distinctes. L'une implique que le fluide oscille d'avant en arrière dans sa densité, comme une onde se déplaçant à la surface d'un étang. L'autre implique que le fluide pulse en intensité, s'étendant et se contractant comme un poumon qui respire, sans changer sa densité globale. La première est une onde bien comprise, tandis que la seconde, une vibration plus insaisissable de la force même du système, a été notoirement difficile à isoler et à étudier.

Une équipe de chercheurs a maintenant réussi à isoler et à visualiser ces deux vibrations distinctes dans un cadre de laboratoire contrôlé, en utilisant un simulateur quantique construit à partir de circuits supraconducteurs. En créant une grille miniature en deux dimensions d'atomes artificiels, ils ont pu exciter et observer le comportement de ces modes avec une précision impossible dans des systèmes naturels plus vastes. L'expérience s'est concentrée sur un état spécifique de la matière où les atomes artificiels sont disposés en une grille, avec exactement une particule par emplacement en moyenne. Dans cet état, le système se comporte comme un superfluide. Les chercheurs ont découvert qu'en ajustant soigneusement les connexions entre les atomes, ils pouvaient faire pulser l'ensemble de la grille en intensité, créant ainsi l'insaisissable vibration de « respiration ». Inversement, en appliquant un motif spécifique de poussées et de tractions locales, ils pouvaient générer les ondes de densité. Crucialement, ils ont découvert que dans leur petit système fini, la vibration de respiration ne s'estompe pas rapidement. Au lieu de cela, elle reste un signal net et clair pendant longtemps, un comportement qui contraste fortement avec ce qui se passe dans le monde macroscopique infini.

Les chercheurs y sont parvenus en construisant un réseau de qubits transmon, un type de circuit supraconducteur capable d'agir comme un atome artificiel. Ils ont programmé ces circuits pour simuler le modèle de Bose-Hubbard, un cadre théorique décrivant comment les particules interagissent lorsqu'elles sautent entre les sites d'une grille. Dans leur configuration, la force de l'interaction entre les sites voisins pouvait être ajustée, tout comme le coût énergétique lié à la présence d'une particule sur un site spécifique. L'équipe a travaillé dans un régime où la grille était remplie d'exactement une particule par site en moyenne, une condition qui permet l'émergence de la superfluidité. Pour observer ce qui se passait, ils n'ont pas mesuré le « paramètre d'ordre » abstrait que les physiciens utilisent habituellement pour décrire les superfluides. Au lieu de cela, ils ont observé directement le nombre de particules sur chaque site. Ils ont constaté que lorsque le système vibrait dans le mode de « respiration », le nombre de sites contenant deux particules simultanément augmentait et diminuait de concert avec le nombre de sites vides, tandis que le nombre total de particules restait constant. Cette oscillation entre la présence de deux particules et l'absence de particules, alors que la moyenne reste la même, est la signature du mode d'amplitude.

Pour déclencher cette vibration spécifique, les chercheurs ont appliqué une modulation uniforme aux connexions entre tous les sites simultanément. Cette poussée et ce tirage globaux sur les liaisons ont provoqué l'expansion et la contraction de la structure interne de toute la grille. Ils ont détecté l'oscillation résultante en mesurant la fraction de sites qui contenaient deux particules, une quantité qu'ils appellent la fraction de doublons. Les données ont montré une montée et une descente rythmiques et claires de cette fraction, confirmant que le système vibrait dans le mode d'amplitude. Dans une série d'expériences distinctes, ils ont excité le mode d'onde de densité en appliquant un potentiel variant spatialement, poussant essentiellement les particules selon un motif ondulatoire à travers la grille. Cela a provoqué une hausse et une baisse de la densité locale des particules à mesure que l'onde voyageait à travers le réseau. Les deux modes ont répondu à des types d'entrées différents et n'interfèrent pas les uns avec les autres, confirmant qu'ils sont des phénomènes physiques distincts possédant des symétries différentes.

Une découverte clé de ce travail est la manière dont la taille du système affecte la durée de vie de ces vibrations. Dans un système théorique infiniment grand, le mode de « respiration » est censé décroître rapidement. Il le fait en se fragmentant en paires d'ondes de densité de plus faible énergie, un processus qui brouille le signal et rend l'observation difficile. Cependant, dans leur système mésoscopique, qui consistait en des grilles allant de 4x4 à 7x7 sites, ce canal de décroissance était bloqué. Parce que le système était fini, les états de plus faible énergie possibles n'étaient pas un flux continu mais un ensemble discret de marches. Cette discrétion a empêché le mode de respiration de se fragmenter facilement, lui permettant de persister en tant qu'excitation cohérente et de longue durée. Les chercheurs ont observé cela en modulant les connexions entre les sites et en observant l'évolution du système au fil du temps. Ils ont vu la fraction de doublons osciller pendant des centaines de nanosecondes, une durée qui serait impossible dans un système plus grand où le signal se serait dissipé presque immédiatement.

L'équipe a également cartographié la manière dont ces vibrations changent à mesure que le système passe d'un état où les particules sont bloquées en place à l'état de superfluide. Ils ont fait varier la force du saut entre les sites et mesuré la fréquence des vibrations. Ils ont trouvé que la fréquence du mode de respiration atteignait un minimum à un point spécifique, lequel correspond à la transition entre les phases isolante et superfluide. Le mode d'onde de densité, quant à lui, présentait un comportement différent, sa fréquence chutant à mesure que le système devenait plus superfluide. En comparant leurs résultats expérimentaux avec des simulations numériques, ils ont confirmé que leurs observations concordaient avec les prédictions théoriques pour ces systèmes de taille finie. Les simulations ont montré qu'à mesure que la taille du système augmente, les pics discrets du mode de respiration commencent à fusionner, formant finalement la caractéristique large et indistincte attendue dans la limite thermodynamique.

Ce travail démontre que les simulateurs quantiques finis peuvent agir comme de puissants outils pour sonder des phénomènes physiques souvent obscurcis dans la limite à grande échelle. En travaillant avec un système suffisamment petit pour être contrôlé mais suffisamment grand pour présenter un comportement collectif, les chercheurs ont pu isoler le mode d'amplitude de type Higgs et l'observer clairement. Ils ont montré que la taille finie du système, souvent considérée comme une limitation dans les expériences, constitue en réalité un avantage unique en créant des écarts spectraux qui protègent l'excitation de la décomposition. La capacité d'exciter et de détecter sélectivement ces modes sans avoir besoin de mesurer directement le paramètre d'ordre abstrait ouvre de nouvelles voies pour l'étude de la dynamique de la brisure de symétrie. Les résultats fournissent une image expérimentale claire de la manière dont les excitations collectives se comportent dans un environnement contrôlé, comblant le fossé entre la mécanique quantique microscopique et les lois physiques macroscopiques.