Nach jahrzehntelangen Versuchen wurde erstmals direkt ein exotisches physikalisches Phänomen beobachtet, das optische Wellen, synthetische Magnetfelder und Zeitumkehr umfasst. Der neue Befund könnte zu Erkenntnissen über sogenannte topologische Phasen und schließlich zu Fortschritten in Richtung fehlertoleranter Quantencomputer führen, sagen die Forscher.

Der neue Befund betrifft den nicht-abelschen Aharonov-Bohm-Effekt und ist heute berichtet in der Zeitschrift Wissenschaft von MIT-Doktorand Yi Yang, MIT-Gastwissenschaftler Chao Peng (Professor an der Peking-Universität), MIT-Doktorand Di Zhu, Professor Hrvoje Buljan an der Universität Zagreb in Kroatien, Francis Wright Davis-Professor für Physik John Joannopoulos am MIT, Professor Bo Zhen an der University of Pennsylvania und MIT-Professor für Physik Marin Soljačić.

Der Befund bezieht sich auf Eichfelder, die Transformationen beschreiben, die Partikel durchlaufen. Messfelder fallen in zwei Klassen, bekannt als Abelian und Nicht-Abelian. Der Aharonov-Bohm-Effekt, benannt nach den Theoretikern, die ihn 1959 vorausgesagt hatten, bestätigte, dass Eichfelder - abgesehen von einer rein mathematischen Hilfe - physikalische Konsequenzen haben.

Die Beobachtungen funktionierten jedoch nur in abelschen Systemen oder in solchen, in denen Eichfelder kommutativ sind - das heißt, sie finden zeitlich vorwärts und rückwärts auf die gleiche Weise statt. 1975 verallgemeinerten Tai-Tsun Wu und Chen-Ning Yang die Wirkung auf das nicht-abelsche Regime als Gedankenexperiment. Es blieb jedoch unklar, ob es überhaupt möglich sein würde, den Effekt in einem nicht-abelschen System jemals zu beobachten. Den Physikern fehlten Möglichkeiten, den Effekt im Labor zu erzeugen, und es fehlten auch Möglichkeiten, den Effekt zu erkennen, selbst wenn er erzeugt werden könnte. Jetzt wurden beide Rätsel gelöst und die Beobachtungen erfolgreich durchgeführt.

Der Effekt hat mit einem der seltsamen und kontraintuitiven Aspekte der modernen Physik zu tun, nämlich der Tatsache, dass praktisch alle grundlegenden physikalischen Phänomene zeitinvariant sind. Das bedeutet, dass die Details der Art und Weise, wie Partikel und Kräfte interagieren, zeitlich vorwärts oder rückwärts laufen können und ein Film darüber, wie sich die Ereignisse entfalten, in beide Richtungen laufen kann, sodass nicht festgestellt werden kann, welche Version die tatsächliche ist. Einige exotische Phänomene verletzen jedoch diese Zeitsymmetrie.

Um die abelsche Version der Aharonov-Bohm-Effekte zu erstellen, muss die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen werden, eine Herausforderung für sich, sagt Soljačić. Um die nicht-abelsche Version des Effekts zu erreichen, muss diese Zeitumkehr jedoch mehrmals und auf unterschiedliche Weise unterbrochen werden, was sie zu einer noch größeren Herausforderung macht.

Um den Effekt zu erzielen, verwenden die Forscher die Photonenpolarisation. Dann erzeugten sie zwei verschiedene Arten von Zeitumkehrbrüchen. Sie verwendeten Faseroptik, um zwei Arten von Messfeldern zu erzeugen, die die geometrischen Phasen der optischen Wellen beeinflussten, indem sie sie erstens durch einen von starken Magnetfeldern vorgespannten Kristall schickten und zweitens sie mit zeitlich variierenden elektrischen Signalen modulierten, die beide brechen die Zeitumkehrsymmetrie. Sie waren dann in der Lage, Interferenzmuster zu erzeugen, die die Unterschiede in der Auswirkung des Lichts zeigten, wenn es durch das Glasfasersystem in entgegengesetzte Richtungen im oder gegen den Uhrzeigersinn gesendet wurde. Ohne das Aufbrechen der Zeitumkehrinvarianz hätten die Strahlen identisch sein müssen, aber stattdessen zeigten ihre Interferenzmuster bestimmte Sätze von Unterschieden, wie vorhergesagt, was die Details des schwer fassbaren Effekts demonstrierte.

Die ursprüngliche abelsche Version des Aharonov-Bohm-Effekts „wurde mit einer Reihe von experimentellen Versuchen beobachtet, aber der nicht-abelsche Effekt wurde bisher nicht beobachtet“, sagt Yang. Die Erkenntnis „ermöglicht es uns, viele Dinge zu tun“, sagt er und öffnet die Tür zu einer Vielzahl potenzieller Experimente, einschließlich klassischer und quantenphysikalischer Regime, um Variationen des Effekts zu untersuchen.

Der experimentelle Ansatz dieses Teams könnte „die Realisierung exotischer topologischer Phasen in Quantensimulationen mit Photonen, Polaritonen, Quantengasen und supraleitenden Qubits anregen“, sagt Soljačić. Für die Photonik selbst könnte dies in einer Vielzahl von optoelektronischen Anwendungen nützlich sein, sagt er. Darüber hinaus erzeugten die nicht-abelschen Eichfelder, die die Gruppe synthetisieren konnte, eine nicht-abelsche Beerenphase. „In Kombination mit Wechselwirkungen könnte sie möglicherweise eines Tages als Plattform für fehlertolerante topologische Quantenberechnungen dienen“, sagt er .

An dieser Stelle ist das Experiment vor allem für die Grundlagenforschung der Physik von Interesse, um ein besseres Verständnis einiger grundlegender Grundlagen der modernen physikalischen Theorie zu erlangen. Die vielen möglichen praktischen Anwendungen "werden in Zukunft zusätzliche Durchbrüche erfordern", sagt Soljačić.

Zum einen müsste für die Quantenberechnung das Experiment von einem einzigen Gerät auf wahrscheinlich ein ganzes Gitter von ihnen skaliert werden. Und anstelle der in ihrem Experiment verwendeten Laserlichtstrahlen müsste mit einer Quelle einzelner Photonen gearbeitet werden. Aber auch in seiner jetzigen Form könnte das System verwendet werden, um Fragen der topologischen Physik zu untersuchen, die ein sehr aktives Gebiet der aktuellen Forschung darstellt, sagt Soljačić.

„Die nicht-abelsche Beerenphase ist ein theoretisches Juwel, das das Tor zum Verständnis vieler faszinierender Ideen in der zeitgenössischen Physik darstellt“, sagt Ashvin Vishwanath, Professor für Physik an der Harvard University, der mit dieser Arbeit nicht in Verbindung gebracht wurde. „Ich bin froh zu sehen, dass es die experimentelle Aufmerksamkeit erhält, die es in der aktuellen Arbeit verdient, die von einer gut kontrollierten und charakterisierten Realisierung berichtet. Ich erwarte, dass diese Arbeit den Fortschritt sowohl direkt als Baustein für komplexere Architekturen als auch indirekt zur Inspiration anderer Erkenntnisse anregt. “