Many-Body Correlations in Phase-Space Microscopes

In de kwantumwereld zijn de regels van observatie fundamenteel anders dan in onze alledaagse ervaring. Om een verzameling atomen te begrijpen, kijken wetenschappers vaak naar waar ze zich bevinden, of hoe snel ze bewegen, maar zelden beide tegelijkertijd. Dit komt door een fundamentele beperking in de natuur: hoe nauwkeuriger je de locatie van een atoom vastlegt, hoe minder je over de snelheid ervan kunt weten, en vice versa. Decennialang betekende deze beperking dat zelfs als je een perfecte snapshot maakte van waar elk atoom in een wolk zich bevond, en een andere perfecte snapshot van hoe snel ze allemaal vlogen, je nog steeds niet de volledige kwantumtoestand van het systeem kon reconstrueren. Er is een verborgen laag informatie, een specifieke relatie tussen positie en snelheid, die onzichtbaar blijft als je ze afzonderlijk meet. Dit ontbrekende stukje is een langlopende puzzel in de fysica, die teruggaat tot een beroemde vraag van de natuurkundige Wolfgang Pauli over de vraag of positie en momentum alleen voldoende zijn om een kwantumtoestand te definiëren. Het antwoord blijkt te zijn: nee.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuw experimenteel instrument voorgesteld en geanalyseerd, een "faseruimte-microscoop", die dit probleem oplost. In plaats van aparte foto's te maken van locatie en snelheid, legt dit apparaat een enkele, gelijktijdige snapshot vast van beide voor elk deeltje in een wolk van ultrakoude atomen. Door de snelheid van elk atoom te coderen in een aparte, hulp-dimensie terwijl de positie zichtbaar blijft, creëert de microscoop een gedetailleerde kaart van de kwantumtoestand die strikt meer informatie bevat dan welke eerdere methode dan ook. De onderzoekers laten zien dat ze met dit nieuwe perspectief de volledige kwantumtoestand van het systeem kunnen reconstrueren, waarbij verborgen verbindingen en structuren worden onthuld die voorheen onmogelijk te zien waren. Dit is niet alleen een theoretisch idee; het artikel demonstreert hoe dit instrument kan worden gebruikt om reële problemen op te lossen bij het begrijpen van hoe materie zich gedraagt wanneer atomen dicht op elkaar gepakt zijn en sterk met elkaar interageren, wat een compleet beeld biedt van de kwantumwereld dat voorheen onbereikbaar was.

De kracht van deze nieuwe microscoop ligt in haar vermogen om correlaties te zien die verborgen zijn voor standaardcamera's. In een typisch experiment kijken wetenschappers misschien naar een wolk atomen en zien dat ze gelijkmatig verspreid zijn, of dat ze volgens een bepaald patroon bewegen. Als ze naar de positie en de snelheid afzonderlijk kijken, kunnen de atomen ongeconnecteerd lijken, alsof het slechts een willekeurige verzameling onafhankelijke deeltjes is. De faseruimte-microscoop onthult echter dat deze atomen diep verbonden zijn. De onderzoekers hebben aangetoond dat dit apparaat "verstrengeling" kan detecteren, een vreemde kwantumverbinding waarbij de toestand van het ene deeltje onmiddellijk verbonden is met de toestand van een ander, zelfs als ze ver uit elkaar zijn. In sommige gevallen lijken de atomen volledig niet-verstrengeld wanneer ze door de lens van positie of snelheid alleen worden bekeken, maar de faseruimte-snapshot laat een duidelijke, onscheidbare band tussen hen zien. Dit stelt wetenschappers in staat om te certificeren dat kwantumcorrelaties bestaan in systemen waar ze voorheen als afwezig werden beschouwd, wat een nieuw venster op de verborgen architectuur van materie opent.

Deze capaciteit is bijzonder nuttig voor het bestuderen van hoe atomen paren vormen om superfluïden en supergeleiders te creëren, toestanden van materie waarin deeltjes zonder wrijving bewegen. In deze systemen vormen atomen vaak paren die als één eenheid fungeren. De onderzoekers hebben aangetoond dat de faseruimte-microscoop de interne structuur van deze paren kan visualiseren, inclusief hun relatieve beweging en de specifieke manier waarop ze om elkaar heen draaien. In het verleden konden wetenschappers alleen de grootte van het paar of de snelheid van het paar zien, maar niet de fase van hun golffunctie, wat een cruciaal detail is dat het type supergeleiding bepaalt. Met de nieuwe microscoop kunnen ze de volledige vorm van de golf van het paar reconstrueren, inclusief de fase, waardoor ze onderscheid kunnen maken tussen verschillende soorten paren, zoals die die met de klok mee versus tegen de klok in draaien. Dit is een significante stap voorwaarts, omdat het de directe observatie van de "chiraliteit", of handigheid, van deze kwantumtoestanden mogelijk maakt, wat een sleutelkenmerk is in exotische materialen zoals chirale supergeleiders.

Het instrument blinkt ook uit bij het bekijken van rommelige, ongelijkmatige systemen waarbij de orde niet uniform is over de gehele steekproef. In veel reële scenario's, zoals in de "pseudogap"-fase van hogetemperatuur-supergeleiders, kunnen atomen lokaal paren vormen zonder een globale orde te vestigen. Standaardmetingen vervagen vaak deze lokale details, waardoor het lijkt alsof er helemaal geen structuur is. De faseruimte-microscoop kan echter inzoomen op kleine regio's om "plassen" van superfluïde orde of vooraf gevormde paren te vinden die bestaan voordat het systeem een volledige supergeleider wordt. Het kan in kaart brengen waar deze geordende regio's zich bevinden en hoe ze verbonden zijn, waardoor een lokaal beeld van de kwantumtoestand wordt gegeven dat globale metingen missen. Dit is essentieel voor het begrijpen van complexe fasen van materie waarbij de regels van plek tot plek veranderen, zoals in gedisordeerde materialen of systemen met concurrerende krachten.

Buiten het louter zien van de structuur, hebben de onderzoekers aangetoond dat deze methode de energie van interacties tussen deeltjes met hoge precisie kan meten. In aanwezigheid van een magnetisch veld bezetten atomen specifieke energieniveaus, en de manier waarop ze interageren kan ze naar hogere niveaus duwen. Door de populatie van deze niveaus te meten met behulp van de faseruimte-correlaties, hebben de onderzoekers aangetoond dat ze de interactie-energie direct uit een enkele meting kunnen extraheren. Dit biedt een nieuwe manier om theorieën over hoe deeltjes interageren te testen, inclusief de beroemde "contact"-parameter die beschrijft hoe sterk deeltjes botsen op zeer korte afstanden. Bovendien maakt de methode het mogelijk om topologische eigenschappen te meten, wat globale kenmerken van de kwantumtoestand zijn die onveranderd blijven, zelfs als het systeem wordt vervormd. De onderzoekers hebben aangetoonden dat ze een "Chern-marker" kunnen berekenen, een getal dat de topologie van het systeem beschrijft, rechtstreeks uit de faseruimte-data, wat een robuuste manier biedt om deze exotische toestanden te identificeren zonder complexe globale experimenten nodig te hebben.

Het artikel verkent ook een complementaire techniek waarbij onderzoekers specifieke fasen op de atomen kunnen printen met behulp van licht voordat de snapshot wordt genomen. Door het matter-wave Fourier-vlak te manipuleren, kunnen ze de fase van de atomen op een gecontroleerde manier veranderen en vervolgens observeren hoe de dichtheidspatronen veranderen. Dit stelt hen in staat om verschillende soorten supergeleidende toestanden te onderscheiden, zoals die met verschillende impulsmomenten, door te kijken naar hoe de interferentiepatronen verschuiven. Deze techniek, gecombineerd met de faseruimte-microscoop, biedt een praktische manier om de volledige fasestructuur van een golffunctie in kaart te brengen zonder moeilijke wiskundige inversies nodig te hebben. Het transformeert de microscoop tot een veelzijdig instrument dat niet alleen de kwantumtoestand kan observeren, maar ook actief haar eigenschappen kan beproeven door op specifieke manieren met haar te interageren.

Uiteindelijk vestigt dit werk de faseruimte-microscoop als een compleet en veelzijdig instrument voor het verkennen van de fundamentele kenmerken van kwantum-veel-deeltjesfasen. Het gaat verder dan de beperkingen van afzonderlijke positie- en momentummetingen, door een verenigd beeld te bieden dat de volledige rijkdom van de kwantumtoestand vastlegt. Of het nu gaat om het onthullen van verborgen verstrengeling, het visualiseren van de interne structuur van paren, het in kaart brengen van lokale orde in gedisordeerde systemen, of het meten van interactie-energieën, de microscoop biedt een niveau van detail dat voorheen onmogelijk was. De onderzoekers hebben aangetoond dat door positie en momentum gezamenlijk te resolveren, men toegang krijgt tot een strikt rijkere set informatie, wat de tomografie en certificering van sterk gecorreleerde kwantummaterie mogelijk maakt. Dit opent de deur naar een dieper begrip van de kwantumwereld, waar het geheel werkelijk groter is dan de som der delen, en waar de verborgen verbindingen tussen deeltjes eindelijk in hun geheel gezien kunnen worden.