Екзотичне фізичне явище, що включає оптичні хвилі, синтетичні магнітні поля та інверсію часу, було безпосередньо спостережено вперше після десятиліть спроб. Нове відкриття може призвести до реалізації того, що відомо як топологічні фази, і, зрештою, до прогресу в напрямку відмовостійких квантових комп’ютерів, кажуть дослідники.

Нове відкриття стосується неабелевого ефекту Ааронова-Бома повідомили сьогодні в журналі наука аспірант Массачусетського технологічного інституту І Ян, запрошений науковець Массачусетського технологічного інституту Чао Пен (професор Пекінського університету), аспірант Массачусетського технологічного інституту Ді Чжу, професор Хрвоє Бульян із Загребського університету в Хорватії, професор фізики Френсіс Райт Девіс Джон Джоаннопулос із Массачусетського технологічного інституту, професор Бо Жень в Університеті Пенсільванії та професор фізики Массачусетського технологічного інституту Марін Солячич.

Відкриття стосується калібрувальних полів, які описують перетворення, яких зазнають частинки. Калібрувальні поля діляться на два класи, відомі як абелеві та неабелеві. Ефект Ааронова-Бома, названий на честь теоретиків, які передбачили його в 1959 році, підтвердив, що калібрувальні поля — не лише математична допомога — мають фізичні наслідки.

Але спостереження працювали лише в абелевих системах або тих, у яких калібрувальні поля є комутативними, тобто вони відбуваються однаково як вперед, так і назад у часі. У 1975 році Тай-Цун Ву і Чен-Нін Ян узагальнили ефект на неабелівський режим як уявний експеримент. Тим не менш, залишалося незрозумілим, чи буде взагалі можливо коли-небудь спостерігати ефект в неабелевій системі. Фізикам бракувало способів створення ефекту в лабораторії, а також способів виявлення ефекту, навіть якщо його можна було створити. Тепер обидві ці загадки вирішено, і спостереження успішно проведені.

Ефект пов’язаний з одним із дивних і суперечливих аспектів сучасної фізики, тим фактом, що практично всі фундаментальні фізичні явища є інваріантними в часі. Це означає, що деталі способу взаємодії частинок і сил можуть рухатися вперед або назад у часі, а фільм про те, як розгортаються події, можна запускати в будь-якому напрямку, тому неможливо визначити, яка версія є справжньою. Але кілька екзотичних явищ порушують цю часову симетрію.

Створення абелевої версії ефектів Ааронова-Бома вимагає порушення симетрії зворотного часу, що саме по собі є складним завданням, каже Солячич. Але щоб досягти неабелевої версії ефекту, потрібно кілька разів порушувати цей поворот часу різними способами, що робить його ще більшим викликом.

Щоб отримати ефект, дослідники використовують поляризацію фотонів. Потім вони створили два різних види розриву інверсії часу. Вони використовували волоконну оптику для створення двох типів калібрувальних полів, які впливали на геометричні фази оптичних хвиль, по-перше, посилаючи їх через кристал, зміщений потужними магнітними полями, а по-друге, модулюючи їх електричними сигналами, що змінюються в часі, обидва з яких розриваються. симетрія обернення часу. Потім вони змогли створити інтерференційні візерунки, які виявили різницю в тому, як світло впливало на світло, яке надсилалося через волоконно-оптичну систему в протилежних напрямках, за або проти годинникової стрілки. Без порушення інваріантності зворотного часу промені повинні були бути ідентичними, але натомість їх інтерференційні картини виявили конкретні набори відмінностей, як і було передбачено, демонструючи деталі невловимого ефекту.

Оригінальна, абелева версія ефекту Ааронова-Бома «спостерігалася за допомогою серії експериментальних зусиль, але неабелев ефект досі не спостерігався», — говорить Янг. Це відкриття «дає нам змогу робити багато речей», — каже він, відкриваючи двері для широкого спектру потенційних експериментів, включаючи класичні та квантові фізичні режими, щоб досліджувати варіації ефекту.

Експериментальний підхід, розроблений цією командою, «може надихнути на реалізацію екзотичних топологічних фаз у квантовому моделюванні з використанням фотонів, поляритонів, квантових газів і надпровідних кубітів», — каже Солячич. Для самої фотоніки це може бути корисним у різноманітних оптоелектронних додатках, каже він. Крім того, неабелеві калібрувальні поля, які група змогла синтезувати, створили неабелеву фазу Беррі, і «в поєднанні з взаємодіями це потенційно одного разу може стати платформою для відмовостійких топологічних квантових обчислень», — каже він. .

На даний момент експеримент представляє інтерес насамперед для фундаментальних досліджень фізики з метою отримання кращого розуміння деяких основних основ сучасної фізичної теорії. Багато можливих практичних застосувань «вимагатимуть додаткових проривів у майбутньому», — каже Солячич.

З одного боку, для квантових обчислень експеримент потрібно було б розширити від одного пристрою до цілої їх сітки. І замість променів лазерного світла, використаного в їхньому експерименті, потрібно працювати з джерелом окремих окремих фотонів. Але навіть у нинішньому вигляді систему можна використовувати для вивчення питань топологічної фізики, яка є дуже активною областю сучасних досліджень, каже Солячич.

«Неабелева фаза Беррі — це теоретична перлина, яка є дверима до розуміння багатьох інтригуючих ідей у ​​сучасній фізиці», — каже Ашвін Вішванат, професор фізики Гарвардського університету, який не був пов’язаний з цією роботою. «Я радий бачити, що це привернуло експериментальну увагу, якої воно заслуговує в поточній роботі, яка повідомляє про добре контрольовану та охарактеризовану реалізацію. Я очікую, що ця робота стимулюватиме прогрес як безпосередньо як будівельний блок для більш складних архітектур, так і опосередковано для надихання на інші реалізації».