首次观测到奇异的物理现象

经过几十年的尝试,一种涉及光波、合成磁场和时间反转的奇异物理现象首次被直接观测到。研究人员说,这一新发现可能会导致拓扑阶段的实现,并最终推动容错量子计算机的发展。

诺夫-博姆’效应,获得新发现涉及非阿贝尔今天在《科学》杂志上报道了麻省理工学院研究生李阳,麻省理工学院访问学者曹国伟彭(北京大学教授),麻省理工学院研究生Di朱教授Hrvoje Buljan在克罗地亚的萨格勒布大学,弗朗西斯·赖特戴维斯麻省理工学院的物理学教授约翰Joannopoulos Bo甄教授宾夕法尼亚大学和麻省理工学院的物理学教授马林Soljačić。

这一发现与规范场有关,规范场描述了粒子所经历的转变。度量字段分为两类,即Abelian和non-Abelian。Aharonov-Bohm效应,以1959年预测它的理论家命名,证实了规范场——不仅仅是一种纯粹的数学辅助——具有物理后果。

但是这些观测只在阿贝尔系统中有效,或者那些规范场是可交换的——也就是说,它们在时间上以相同的方式向前和向后发生。1975年,吴泰群和杨振宁将这种效应推广到非阿贝尔政权,作为一种思想实验。然而,目前还不清楚是否有可能在非阿贝尔系统中观察到这种效应。物理学家们缺乏在实验室创造这种效应的方法,而且即使这种效应能够产生,也缺乏检测这种效应的方法。现在,这两个难题都已经解决了,观测也成功地进行了。

这种效应与现代物理学中一个奇怪且违反直觉的方面有关,即几乎所有的基本物理现象都是时不变的。这意味着粒子和力相互作用的细节可以在时间上向前或向后运行,而事件如何展开的电影可以在两个方向上运行,所以无法分辨哪个是真实的版本。但是一些奇异的现象破坏了这次的对称性。

创建交换版的阿哈拉诺夫玻姆效应需要打破对称逆时,本身就是一个具有挑战性的任务,Soljačić说。但要达到非阿贝尔版本的效果,需要多次打破这种时间逆转,并以不同的方式,使它成为一个更大的挑战。

为了产生这种效果,研究人员使用了光子偏振。然后,他们产生了两种不同的时间反转断裂。他们利用光纤产生了两种影响光波几何相位的测量场,一种是通过强磁场使光波穿过一个偏置的晶体,另一种是通过时变电信号对光波进行调制,这两种信号都打破了时间反转对称性。然后,他们能够产生干涉图样,揭示出光在顺时针或逆时针方向穿过光纤系统时受到影响的不同之处。如果没有时间反转不变性的破坏,光束应该是相同的,但相反,它们的干涉模式显示了预测的特定的差异集,展示了难以捉摸的效应的细节。

杨说,最初的阿哈罗诺夫-玻姆效应的阿贝耳版本“已经通过一系列的实验观察到了,但非阿贝耳效应直到现在才被观察到。”他说,这一发现“让我们可以做很多事情”,为各种各样的潜在实验打开了大门,包括经典和量子物理机制,以探索效应的变化。

实验方法设计的这支球队”可能激发外来拓扑的实现阶段在量子模拟使用光子,极化声子,量子气体,和超导量子比特,“Soljačić说。他说,对于光子学本身来说,这在许多光电子应用中都是有用的。此外,该小组能够合成的非阿贝耳规范场产生了非阿贝耳浆果相,“结合相互作用,它可能有一天会成为一个容错拓扑量子计算的平台,”他说。

在这一点上,实验主要是对基础物理研究感兴趣,目的是更好地理解现代物理理论的一些基本基础。许多可能的实际应用”将需要额外的突破,”Soljačić说。

首先,对于量子计算,实验将需要从一个单一的设备扩展到可能的整个晶格。而不是他们实验中使用的激光束,这将需要使用单个光子的光源。但即使在其目前的形式,系统在物理拓扑,可以用来探索问题是当前研究的一个非常活跃的领域,Soljačić说。

哈佛大学物理学教授阿什文·维什瓦纳斯(Ashvin Vishwanath)表示:“非阿贝尔贝里阶段是一颗理论宝石,是理解当代物理学中许多有趣想法的大门。”“我很高兴看到它在当前的工作中得到了它应该得到的实验性关注,报告了一种控制良好和有特色的实现。我希望这项工作不仅能直接作为更复杂建筑的一块基石,也能间接地激励其他实现。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/aharonov-bohm-effect-physics-observed-0905

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