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

In de fysieke wereld bezitten veel systemen een verborgen potentieel voor symmetrie dat ze uiteindelijk besluiten niet te gebruiken. Beschouw een magneet: de natuurwetten behandelen alle richtingen gelijk, maar een magneet kiest spontaan een specifieke noord- en zuidpool, waardoor die perfecte balans wordt doorbroken. Dit fenomeen, bekend als spontane symmetriebreking, is een fundamenteel principe dat alles verklaart, van hoe magneten werken tot waarom deeltjes massa hebben. Wanneer een systeem deze symmetrie breekt, komt het niet alleen in een nieuwe staat terecht; het geeft ook rimpelingen, of collectieve trillingen, voort die zich door het materiaal bewegen. In het domein van superfluïden — vloeistoffen die zonder wrijving stromen — komen deze rimpelingen in twee verschillende smaken voor. Het ene type houdt in dat de vloeistof heen en weer klotst in dichtheid, als een golf die over een vijver beweegt. Het andere type houdt in dat de vloeistof pulseert in sterkte, expanderend en contraherend als een ademende long, zonder de algehele dichtheid te veranderen. De eerste is een goed begrepen golf, terwijl de tweede, een meer ongrijpende trilling van de zeer eigen kracht van het systeem, berucht moeilijk te isoleren en te bestuderen is geweest.

Een team van onderzoekers heeft nu deze twee verschillende trillingen succesvol geïsoleerd en gevisualiseerd in een gecontroleerde laboratoriumsetting, met behulp van een kwantumsimulator gebouwd van supergeleidende circuits. Door een miniatuur, tweedimensionaal rooster van kunstmatige atomen te creëren, waren zij in staat om deze modi te exciteren en hun gedrag te observeren met een precisie die onmogelijk is in grotere, natuurlijke systemen. Het experiment richtte zich op een specifieke fase van materie waarin de kunstmatige atomen in een rooster zijn gerangschikt, met precies één deeltje dat gemiddeld op elke plek zit. In deze staat gedraagt het systeem zich als een superfluïde. De onderzoekers ontdekten dat ze door de verbindingen tussen de atomen zorgvuldig aan te passen, de hele grid in sterkte konden laten pulseren, waardoor de ongrijpbare "ademende" trilling ontstond. Daarentegen konden ze, door een specifiek patroon van lokale duwtjes en trekjes toe te passen, de dichtheidsgolven genereren. Cruciaal was hun ontdekking dat in hun kleine, eindige systeem de ademende trilling niet snel wegsterft. In plaats daarvan blijft het een scherp, helder signaal voor een lange tijd, een gedrag dat in schril contrast staat met wat er gebeurt in de oneindige, macroscopische wereld.

De onderzoekers bereikten dit door een rooster van transmon-qubits te construeren, een type supergeleidend circuit dat kan fungeren als een kunstmatig atoom. Ze programmeerden deze circuits om het Bose-Hubbard-model na te bootsen, een theoretisch kader dat beschrijft hoe deeltjes interageren wanneer ze tussen locaties springen op een rooster. In hun opstelling kon de sterkte van de interactie tussen naburige locaties worden afgesteld, evenals de energiekosten van het hebben van een deeltje op een specifieke locatie. Het team werkte in een regime waar het rooster gevuld is met precies één deeltje per locatie gemiddeld, een conditie die de opkomst van superfluiditeit mogelijk maakt. Om te zien wat er gebeurde, maten zij niet de abstracte "ordeparameter" die natuurkundigen gewoonlijk gebruiken om superfluïden te beschrijven. In plaats daarvan keken zij direct naar het aantal deeltjes op elke locatie. Zij ontdekten dat wanneer het systeem trilde in de "ademende" modus, het aantal locaties dat tegelijkertijd twee deeltjes vasthield, synchroon met het aantal lege locaties steeg en daalde, terwijl het totaal aantal deeltjes constant bleef. Deze oscillatie tussen het hebben van twee deeltjes en het hebben van nul deeltjes, terwijl het gemiddelde gelijk blijft, is de signatuur van de amplitudemodus.

Om deze specifieke trilling te triggeren, pasten de onderzoekers een uniforme modulatie toe op de verbindingen tussen alle locaties tegelijkertijd. Deze globale druk en trek op de verbindingen zorgde ervoor dat het hele rooster in zijn interne structuur expandeerde en contraheerde. Zij detecteerden de resulterende oscillatie door de fractie van locaties te meten die twee deeltjes bevatten, een grootheid die zij de doublon-fractie noemen. De gegevens vertoonden een duidelijke, ritmische stijging en daling in deze fractie, wat bevestigde dat het systeem trilde in de amplitudemodus. In een aparte reeks experimenten exciteerden zij de dichtheidsgolfmodus door een ruimtelijk variërend potentiaal aan te passen, waarbij zij in feite de deeltjes in een golfachtig patroon over het rooster duwden. Dit veroorzaakte dat de lokale dichtheid van de deeltjes steeg en daalde terwijl de golf door het rooster reisde. De twee modi reageerden op verschillende soorten inputs en interfereerden niet met elkaar, wat bevestigde dat het verschillende fysieke verschijnselen zijn met verschillende symmetrieën.

Een belangrijke ontdekking van dit werk is hoe de omvang van het systeem het leven van deze trillingen beïnvloedt. In een theoretisch, oneindig groot systeem wordt verwacht dat de "ademende" modus snel vervalt. Dit gebeurt door uiteen te vallen in paren van lager energetische dichtheidsgolven, een proces dat het signaal vertroebelt en het moeilijk maakt om te observeren. Echter, in hun mesoscopische systeem, dat bestond uit roosters variërend van 4x4 tot 7x7 locaties, was dit verval kanaal geblokkeerd. Omdat het systeem eindig was, waren de mogelijke toestanden met lagere energie niet een continue stroom, maar een discrete set van stappen. Deze discretie voorkwam dat de ademende modus gemakkelijk uiteenviel, waardoor deze een coherente, langdurige excitatie kon behouden. De onderzoekers observeerden dit door de verbindingen tussen de locaties te veranderen en het systeem over de tijd te volgen. Zij zagen de doublon-fractie honderden nanoseconden lang oscilleren, een duur die onmogelijk zou zijn in een groter systeem waar het signaal bijna onmiddellijk zou zijn weggevallen.

Het team bracht ook in kaart hoe deze trillingen veranderen naarmate het systeem beweegt van een staat waarin deeltjes op hun plaats vastzitten naar de superfluïde staat. Zij varieerden de sterkte van het springen tussen locaties en maten de frequentie van de trillingen. Zij vonden dat de frequentie van de ademende modus een minimum bereikte op een specifiek punt, wat overeenkomt met de overgang tussen de isolerende en de superfluïde fasen. De dichtheidsgolfmodus vertoonde daarentegen een ander gedrag, waarbij de frequentie daalde naarmate het systeem meer superfluïde werd. Door hun experimentele resultaten te vergelijken met numerieke simulaties, bevestigden zij dat hun observaties overeenkwamen met de theoretische voorspellingen voor deze eindige systemen. De simulaties toonden aan dat naarmothe moment de discrete pieken van de ademende modus beginnen te versmelten, waardoor uiteindelijk de brede, onduidelijke kenmerken ontstaan die verwacht worden in de thermodynamische limiet.

Dit werk demonstreert dat eindige kwantumsimulatoren krachtige instrumenten kunnen zijn om fysieke fenomenen te onderzoeken die vaak verborgen blijven in de grootschalige limiet. Door te werken met een systeem dat klein genoeg is om te controleren maar groot genoeg om collectief gedrag te vertonen, waren de onderzoekers in staat om de Higgs-achtige amplitudemodus te isoleren en duidelijk te observeren. Zij toonden aan dat de eindige omvang van het systeem, die vaak als een beperking in experimenten wordt beschouwd, hier juist een uniek voordeel biedt door spectrale gaten te creëren die de excitatie beschermen tegen verval. Het vermogen om deze modi selectief te exciteren en te detecteren zonder direct de abstracte ordeparameter te hoeven meten, opent nieuwe wegen voor het bestuderen van de dynamica van symmetriebreking. De resultaten bieden een helder, experimenteel beeld van hoe collectieve excitaties zich gedragen in een gecontroleerde omgeving, waarbij de kloof tussen microscopische kwantummechanica en macroscopische natuurwetten wordt overbrugd.