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

No mundo físico, muitos sistemas possuem um potencial oculto de simetria que, em última análise, escolhem não utilizar. Considere um ímã: as leis da física tratam todas as direções de forma igual, mas um ímã escolhe espontaneamente um norte e um sul específicos, quebrando esse equilíbrio perfeito. Esse fenômeno, conhecido como quebra espontânea de simetria, é um princípio fundamental que explica desde o funcionamento dos ímãs até o porquê de as partículas possuírem massa. Quando um sistema quebra essa simetria, ele não apenas se estabelece em um novo estado; ele também dá origem a ondulações, ou vibrações coletivas, que se movem através do material. No domínio dos superfluídos — fluidos que fluem sem fricção — essas ondulações apresentam dois sabores distintos. Um tipo envolve o fluido oscilando para frente e para trás em densidade, como uma onda movendo-se sobre um lago. O outro envolve o fluido pulsando em força, expandindo-se e contraindo-se como um pulmão respirando, sem alterar sua densidade total. O primeiro é uma onda bem compreendida, enquanto o segundo, uma vibração mais elusiva da própria força do sistema, tem sido notoriamente difícil de isolar e estudar.

Uma equipe de pesquisadores conseguiu agora isolar e visualizar essas duas vibrações distintas em um ambiente de laboratório controlado, utilizando um simulador quântico construído a partir de circuitos supercondutores. Ao criar uma grade minúscula, bidimensional, de átomos artificiais, eles foram capazes de excitar e observar o comportamento desses modos com uma precisão que é impossível em sistemas naturais maiores. O experimento focou em um estado específico da matéria onde os átomos artificiais estão arranjados em uma grade, com exatamente uma partícula sentada em cada ponto, em média. Nesse estado, o sistema se comporta como um superfluido. Os pesquisadores descobriram que, ao ajustar cuidadosamente as conexões entre os átomos, poderiam fazer com que toda a grade pulsasse em força, criando a elusiva vibração de "respiração". Por outroْ, ao aplicar um padrão específico de empurrões e puxões locais, poderiam gerar as ondas de densidade. Crucialmente, eles descobriram que, em seu pequeno sistema finito, a vibração de respiração não desaparece rapidamente. Em vez disso, ela permanece como um sinal nítido e claro por um longo tempo, um comportamento que contrasta fortemente com o que acontece no mundo macroscópico infinito.

Os pesquisadores alcançaram isso construindo uma rede de qubits transmons, um tipo de circuito supercondutor que pode atuar como um átomo artificial. Eles programaram esses circuitos para mimetizar o modelo de Bose-Hubbard, um arcabouço teórico que descreve como as partículas interagem quando saltam entre sítios em uma grade. Em sua configuração, a força da interação entre sítios vizinhos poderia ser ajustada, assim como o custo energético de ter uma partícula sentada em um sítio específico. A equipe trabalhou em um regime onde a grade estava preenchida com exatamente uma partícula por sítio, em média, uma condição que permite a emergência da superfluididade. Para ver o que estava acontecendo, eles não mediram o "parâmetro de ordem" abstrato que os físicos geralmente usam para descrever superfluídos. Em vez disso, observaram diretamente o número de partículas em cada sítio. Eles descobriram que, quando o sistema vibrava no modo de "respiração", o número de sítios contendo duas partículas ao mesmo tempo subia e descia em sincronia com o número de sítios vazios, enquanto o número total de partículas permanecia constante. Essa oscilação entre ter duas partículas e não ter nenhuma, enquanto a média permanece a mesma, é a assinatura do modo de amplitude.

Para desencadear essa vibração específica, os pesquisadores aplicaram uma modulação uniforme nas conexões entre todos os sítios simultaneamente. Esse empuxo e puxão global nos elos fez com que toda a grade se expandisse e contraísse em sua estrutura interna. Eles detectaram a oscilação resultante medindo a fração de sítios que continham duas partículas, uma quantidade que chamam de fração de dublons. Os dados mostraram um aumento e queda rítmicos claros nessa fração, confirmando que o sistema estava vibrando no modo de amplitude. Em um conjunto separado de experimentos, eles excitaram o modo de onda de densidade aplicando um potencial espacialmente variável, essencialmente empurrando as partículas em um padrão de onda através da rede. Isso fez com que a densidade local de partículas subisse e descesse conforme a onda viajava pela rede. Os dois modos responderam a diferentes tipos de entradas e não interferiram uns nos outros, confirmando que são fenômenos físicos distintos com diferentes simetrias.

Uma descoberta fundamental deste trabalho é como o tamanho do sistema afeta a vida útil dessas vibrações. Em um sistema teoricamente infinito, espera-se que o modo de "respiração" decaia rapidamente. Ele faz isso ao se fragmentar em pares de ondas de densidade de menor energia, um processo que obscurece o sinal e torna a observação difícil. No entanto, no sistema mesoscópico dos pesquisadores, que consistia em grades variando de 4x4 a 7x7 sítios, esse canal de decaimento foi bloqueado. Por ser um sistema finito, os estados de menor energia possíveis não eram um fluxo contínuo, mas um conjunto discreto de degraus. Essa discretização impediu que o modo de respiração se fragmentasse facilmente, permitindo que ele persistisse como uma excitação coerente e de longa duração. Os pesquisadores observaram isso ao aumentar gradualmente as conexões entre os sítios e observar a evolução do sistema ao longo do tempo. Eles viram a fração de dublons oscilar por centenas de nanossegundos, uma duração que seria impossível em um sistema maior, onde o sinal teria se dissipado quase imediatamente.

A equipe também mapeou como essas vibrações mudam à medida que o sistema se move de um estado onde as partículas estão presas em seus lugares para o estado de superfluido. Eles variaram a força do salto entre os sítios e mediram a frequência das vibrações. Descobriram que a frequência do modo de respiração atingiu um mínimo em um ponto específico, que corresponde à transição entre as fases isolante e de superfluido. O modo de onda de densidade, por outro lado, mostrou um comportamento diferente, com sua frequência caindo à medida que o sistema se tornava mais superfluido. Ao comparar seus resultados experimentais com simulações numéricas, confirmaram que suas observações coincidiam com as previsões teóricas para esses sistemas de tamanho finito. As simulações mostraram que, à medida que o tamanho do sistema aumenta, os picos discretos do modo de respiração começam a se fundir, eventualmente formando a característica ampla e indistinta esperada no limite termodinâmico.

Este trabalho demonstra que simuladores quânticos finitos podem atuar como ferramentas poderosas para investigar fenômenos físicos que são frequentemente obscurecidos no limite de grande escala. Ao trabalhar com um sistema pequeno o suficiente para ser controlado, mas grande o suficiente para exibir comportamento coletivo, os pesquisadores foram capazes de isolar o modo de amplitude tipo Higgs e observá-lo claramente. Eles mostraram que o tamanho finito do sistema, frequentemente considerado uma limitação em experimentos, na verdade proporciona uma vantagem única ao criar lacunas espectrais que protegem a excitação do decaimento. A capacidade de excitar e detectar seletivamente esses modos sem a necessidade de medir diretamente o parâmetro de ordem abstrato abre novos caminhos para o estudo da dinâmica da quebra de simetria. Os resultados fornecem uma imagem experimental clara de como as excitações coletivas se comportam em um ambiente controlado, estabelecendo uma ponte entre a mecânica quântica microscópica e as leis físicas macroscópicas.