Quanten-Symmetrie-Bruch zum ersten Mal demonstriert

Quanten-Symmetrie-Brüche wurden erstmals im Labor demonstriert - mit verblüffenden Auswirkungen auf die Fähigkeit, Quantensysteme besser zu kontrollieren.

Die Figur beschreibt die Dynamik zweier Spins als harmonischen Paartanz. Anders als ein Solotanz mit einer einzigen Drehung würde der Paartanz einzigartigere und charmantere Merkmale aufweisen, wie beispielsweise das in der Arbeit demonstrierte Brechen der Paritätszeit-Symmetrie. (Guoyan Wang & Lei Chen)

Zum ersten Mal haben Forscher einen Bruch in einem einzelnen Quantensystem beobachtet. Die Beobachtung - und die Technik, mit der sie beobachtet wird - hat Auswirkungen auf das Verständnis, wie Quantenteilchen interagieren, um Materie zu produzieren und die Welt so funktionieren zu lassen, wie wir sie kennen - und auf die Physik, die möglicherweise dahinter liegt.

Die Parity-Time (PT) -Symmetrie beschreibt die Eigenschaften eines Quantensystems - die Entwicklung der Zeit für ein Quantenteilchen, wenn das Teilchen gerade oder ungerade ist und ob es sich zeitlich vorwärts oder rückwärts bewegt, bleibt der Zustand der Seltsamkeit oder Ebenheit derselbe im ausgeglichenen System. Wenn sich diese Parität ändert, bricht das Gleichgewicht - oder die Symmetrie - des Systems.

Um Quantenwechselwirkungen besser zu verstehen und Geräte der nächsten Generation zu entwickeln, müssen Forscher die Fähigkeit entwickeln, die Symmetrie von Systemen zu steuern. Wenn sie es brechen können, können sie auch den Spin-Zustand der Quantenteilchen während ihrer Wechselwirkung manipulieren. Dies führt zu kontrollierten und prognostizierten Ergebnissen.

Yang Wu, ein Autor der Arbeit und Doktorand im Hefei National Laboratory for Physical Sciences an der Mikroskala und am Department of Modern Physics der Universität für Wissenschaft und Technologie in China: „In unserer Arbeit geht es um diese Quantenkontrolle.“

Eine neue Methode zur Steuerung von Quantensystemen

Wu und sein Doktorvater Rong und Kollegen nutzten ein Zentrum für Stickstoffleerstellen in einem Diamanten als Plattform. Hier ist ein Stickstoffatom mit einem zusätzlichen Elektron von Kohlenstoffatomen umgeben, wodurch die perfekte Kapsel entsteht, um die PT-Symmetrie des Elektrons weiter zu untersuchen.

Das Elektron ist ein Single-Spin-System, was bedeutet, dass die Forscher das gesamte System manipulieren können, indem sie die Entwicklung des Elektronenspinzustands ändern.

Eine schematische Darstellung eines Stickstoffleerstellenzentrums in einem Diamanten (Haque, Sumiaya, 2017)

Mit dem, was Wu und Rong als Dilatationsmethode bezeichnen, legten die Forscher ein Magnetfeld an die Achse des Stickstoff-Leerstellenzentrums an und versetzten das Elektron in einen Zustand der Erregbarkeit. Dann legten sie oszillierende Mikrowellenimpulse an, änderten die Parität und die Zeitrichtung des Systems und ließen es mit der Zeit brechen und zerfallen.

Wu erklärt: „Aufgrund der Universalität unserer Dilatationsmethode und der hohen Steuerbarkeit unserer Plattform können in dieser Arbeit einige neue physikalische Phänomene im Zusammenhang mit der PT-Symmetrie experimentell untersucht werden.

Jiangfeng Du, der auch Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und korrespondierender Autor des Papiers ist, kommt zu dem Schluss: „Die aus dieser Dynamik gewonnenen Informationen erweitern und vertiefen das Verständnis der Quantenphysik.

"Die Arbeit öffnet die Tür zum Studium der exotischen Physik mit nicht-klassischen Quantensystemen."

Originalrecherche: https://science.sciencemag.org/content/364/6443/878