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

Nel mondo fisico, molti sistemi possiedono un potenziale nascosto di simmetria che alla fine scelgono di non utilizzare. Consideriamo un magnete: le leggi della fisica trattano tutte le direzioni allo stesso modo, eppure un magnete sceglie spontaneamente un nord e un sud specifici, rompendo quel perfetto equilibrio. Questo fenomeno, noto come rottura spontanea della simmetria, è un principio fondamentale che spiega tutto, dal funzionamento dei magneti al motivo per cui le particelle hanno una massa. Quando un sistema rompe questa simmetria, non si limita a stabilizzarsi in un nuovo stato; dà anche origine a increspature, o vibrazioni collettive, che si propagano attraverso il materiale. Nel regno dei superfluidi — fluidi che scorrono senza attrito — queste increspature si presentano in due forme distinte. Un tipo consiste nel fluido che oscilla avanti e indietro nella densità, come un'onda che si muove sulla superficie di uno stagno. L'altro consiste nel fluido che pulsa nella forza, espandendosi e contraendosi come un polmone che respira, senza cambiare la sua densità complessiva. Il primo è un'onda ben compresa, mentre il secondo, una vibrazione più elusiva della forza stessa del sistema, è stata notoriamente difficile da isolare e studiare.

Un team di ricercatori ha ora isolato e visualizzato con successo queste due diverse vibrazioni in un ambiente di laboratorio controllato, utilizzando un simulatore quantistico costruito con circuiti superconduttori. Creando una griglia bidimensionale in miniatura di atomi artificiali, sono stati in grado di eccitare e osservare il comportamento di questi modi con una precisione impossibile nei sistemi naturali più grandi. L'esperimento si è concentrato su uno stato specifico della materia in cui gli atomi artificiali sono disposti in una griglia, con esattamente una particella che siede su ogni sito in media. In questo stato, il sistema si comporta come un superfluido. I ricercatori hanno scoperto che, modulando attentamente le connessioni tra gli atomi, potevano far pulsare l'intera griglia nella sua forza, creando l'elusiva vibrazione di "respiro". Al contrario, applicando un modello specifico di spinte e trazioni locali, potevano generare le onde di densità. Fondamentalmente, hanno scoperto che nel loro piccolo sistema finito, la vibrazione del respiro non svanisce rapidamente. Al contrario, rimane un segnale nitido e chiaro per molto tempo, un comportamento che contrasta nettamente con quanto accade nel mondo macroscopico infinito.

I ricercatori hanno ottenuto questo risultato costruendo un reticolo di qubit transmon, un tipo di circuito superconduttore che può agire come un atomo artificiale. Hanno programmato questi circuiti per mimare il modello di Bose-Hubbard, un quadro teorico che descrive come le particelle interagiscono quando saltano tra i siti di una griglia. Nella loro configurazione, la forza dell'interazione tra i siti vicini poteva essere regolata, così come l'energia necessaria affinché una particella risieda su un sito specifico. Il team ha lavorato in un regime in cui la griglia era riempita con esattamente una particella per sito in media, una condizione che permette l'emergere della superfluidità. Per vedere cosa stava accadendo, non hanno misurato l'astratto "parametro d'ordine" che i fisici usano solitamente per descrivere i superfluidi. Invece, hanno guardato direttamente al numero di particelle su ciascun sito. Hanno scoperto che quando il sistema vibrava nel modo di "respiro", il numero di siti che ospitavano due particelle contemporaneamente aumentava e diminuiva in sincronia con il numero di siti vuoti, mentre il numero totale di particelle rimaneva costante. Questa oscillazione tra avere due particelle e non averne affatto, mentre la media rimane la stessa, è la firma del modo di ampiezza.

Per innescare questa specifica vibrazione, i ricercatori hanno applicato una modulazione uniforme alle connessioni tra tutti i siti simultaneamente. Questa spinta e trazione globale sui legami ha fatto sì che l'intera griglia si espandesse e si contraesse nella sua struttura interna. Hanno rilevato l'oscillazione risultante misurando la frazione di siti che ospitavano due particelle, una quantità che chiamano frazione di doublon. I dati hanno mostrato un chiaro aumento e diminuzione ritmica di questa frazione, confermando che il sistema stava vibrando nel modo di ampiezza. In un set separato di esperimenti, hanno eccitato il modo dell'onda di densità applicando un potenziale spazialmente variabile, spingendo essenzialmente le particelle in un pattern a onda attraverso la griglia. Ciò ha causato l'aumento e la diminuzione della densità locale delle particelle mentre l'onda viaggiava attraverso il reticolo. I due modi rispondevano a diversi tipi di input e non interferivano tra loro, confermando che sono fenomeni fisici distinti con diverse simmetrie.

Una scoperta chiave di questo lavoro è come la dimensione del sistema influenzi la durata di queste vibrazioni. In un sistema teorico infinitamente grande, il modo di "respiro" dovrebbe decadere rapidamente. Lo fa frammentandosi in coppie di onde di densità a energia inferiore, un processo che sfuma il segnale e lo rende difficile da osservare. Tuttavia, nel loro sistema mesoscopico, che consisteva in griglie che andavano da 4x4 a 7x7 siti, questo canale di decadimento era bloccato. Poiché il sistema era finito, i possibili stati a energia inferiore non erano un flusso continuo, ma un insieme discreto di gradini. Questa discretezza ha impedito al modo di respiro di frammentarsi facilmente, permettendogli di persistere come un'eccitazione coerente e longeva. I ricercatori hanno osservato questo osservando la variazione delle connessioni tra i siti e guardando l'evoluzione del sistema nel tempo. Hanno visto la frazione di doublon oscillare per centinaia di nanosecondi, una durata che sarebbe impossibile in un sistema più grande dove il segnale sarebbe svanito quasi immediatamente.

Il team ha anche mappato come queste vibrazioni cambiano mentre il sistema si muove da uno stato in cui le particelle sono bloccate in posizione verso lo stato di superfluido. Hanno variato la forza del salto tra i siti e misurato la frequenza delle vibrazioni. Hanno scoperto che la frequenza del modo di respiro raggiungeva un minimo in un punto specifico, che corrisponde alla transizione tra le fasi isolante e superfluida. Il modo dell'onda di densità, invece, mostrava un comportamento diverso, con la sua frequenza che diminuiva man mano che il sistema diventava più superfluido. Confrontando i loro risultati sperimentali con le simulazioni numeriche, hanno confermato che le loro osservazioni corrispondevano alle previsioni teoriche per questi sistemi di dimensioni finite. Le simulazioni hanno mostrato che, all'aumentare della dimensione del sistema, i picchi discreti del modo di respiro iniziano a fondersi, formando infine la caratteristica ampia e indistinta attesa nel limite termodinamico.

Questo lavoro dimostra che i simulatori quantistici finiti possono fungere da potenti strumenti per sondare fenomeni fisici che sono spesso oscurati nel limite su larga scala. Lavorando con un sistema abbastanza piccolo da essere controllato ma abbastanza grande da esibire un comportamento collettivo, i ricercatori sono stati in grado di isolare il modo di ampiezza simile all'Higgs e osservarlo chiaramente. Hanno dimostrato che la dimensione finita del sistema, spesso considerata un limite negli esperimenti, fornisce in realtà un vantaggio unico creando lacune spettrali che proteggono l'eccitazione dal decadimento. La capacità di eccitare e rilevare selettivamente questi modi senza dover misurare direttamente l'astratto parametro d'ordine apre nuove strade per lo studio della dinamica della rottura della simmetria. I risultati forniscono un quadro sperimentale chiaro di come si comportano le eccitazioni collettive in un ambiente controllato, colmando il divario tra la meccanica quantistica microscopica e le leggi fisiche macroscopiche.