Physik

Jeder Physikstudent weiß aus seinen ersten Lektionen in Optik, dass sich Licht in geraden Linien bewegt, unbeeinflusst von anderen Lichtstrahlen – die Strahlen zweier Taschenlampen werden nicht voneinander reflektiert. Allerdings haben Martin Wimmer von der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Kollegen eine Technik verwendet, die auf einer sogenannten synthetischen Dimension basiert, um Lichtimpulse zu erzeugen, die interagieren und sich gemeinsam wie ein Suprafluid verhalten [1]. Damit haben sie gezeigt, dass es sich hierbei um eine anpassbare Plattform zur Erforschung des Zusammenspiels zwischen Vielteilchenwechselwirkungen, Topologie und Dissipation handelt – Merkmale, die für viele Bereiche der Physik von zentraler Bedeutung sind.

Um die synthetische Dimension zu verstehen, die für diese Experimente von entscheidender Bedeutung ist, beachten Sie, dass eine übliche Raumdimension durch eine Reihe von Orten definiert wird, kombiniert mit einem Begriff der „Lokalität“: Partikel können nur mit nahegelegenen Orten interagieren und sich dorthin bewegen. Synthetische Dimensionen reproduzieren diese Lokalität unter Verwendung nichträumlicher Freiheitsgrade, was im Vergleich zu räumlichen Dimensionen möglicherweise eine größere Flexibilität für Technik und Messung bietet. Forscher haben sich diese Vorteile bereits zuvor zunutze gemacht, indem sie synthetische Dimensionen auf einer Reihe von Plattformen implementiert haben, mit denen sie spannende Physik untersucht haben, darunter Spin-Bahn-Kopplung und eine Vielzahl topologischer Phänomene [2, 3].

Um eine synthetische Dimension für Licht zu realisieren, verwenden Wimmer und Kollegen ein optisches Maschengitter: einen Versuchsaufbau, bei dem die Ankunftszeiten von Lichtimpulsen als Analogon der Position dienen (Abb. 1). In ihrem Experiment wird die Zeit in Intervalle T unterteilt, und jedes Intervall stellt einen diskreten Zeitschritt dar, t=1,2,…. Diskrete Positionen, die Stellen auf einem Gitter entsprechen (x=…,−2,−1,0,−1,2,…), werden auf diese Zeitsequenz als durch Δt voneinander getrennte Teilintervalle abgebildet. Ein bei T ankommender Impuls repräsentiert beispielsweise die Gitterposition x=0, während ein Impuls bei T−Δt x=−1 darstellt. Die Bewegung von einer Gitterposition zu einer anderen (z. B. von −1 auf −2) entspricht einer Änderung der Ankunftszeit des Lichtimpulses relativ zu T (in diesem Fall von T−Δt auf T−2Δt). Dieser Prozess ahmt die Bewegung im realen Raum nach: Da sich ein Teilchen im Raum nur bewegen kann, indem es durch nahegelegene Punkte geht, kann sich sein Analogon in der synthetischen Dimension nur zu nahegelegenen Gitterplätzen bewegen.

Um eine solche Bewegung in die synthetische Dimension umzusetzen, verbinden die Forscher zwei Schleifen leicht unterschiedlich langer Glasfaserkabel über einen Strahlteiler. Licht breitet sich in der Zeit T−Δt um die kurze Schleife und in T+Δt um die lange Schleife aus. Daher wird ein Lichtimpuls an der synthetischen Position x und im synthetischen Zeitschritt t zum Zeitschritt t+1 nach x−1 oder x+1 verschoben, wenn er die kurze bzw. die lange Schleife durchläuft. Nachdem ein Impuls eine Schleife abgeschlossen hat, teilt ihn der Strahlteiler in zwei gleiche Teile auf, die sich durch beide Schleifen fortsetzen.

Obwohl diese synthetische Bewegung an sich nicht sehr interessant ist, ermöglicht das spezifische physikalische System, in dem die synthetische Dimension realisiert wird, leistungsstarke Fähigkeiten. Dabei erzeugt die nichtlineare dielektrische Reaktion der im Experiment verwendeten Faser eine leistungsabhängige Phasenverschiebung, was bedeutet, dass mehrere Lichtimpulse interagieren, wenn sie sich innerhalb einer Schleife überlappen. Diese Wechselwirkungen verändern das Verhalten des Systems von dem eines idealen Gases zu einem mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften. Optische Netzgitter, die solche Licht-Licht-Wechselwirkungen aufweisen, wurden bereits früher zur Untersuchung von Phänomenen wie Solitonen [4, 5] und nicht-hermiteschen topologischen Effekten [6–8] verwendet, aber auch Fluideigenschaften, die sich aus Wechselwirkungen und Bewegung ergeben – insbesondere Supraflüssigkeiten – B. einer Strömung – wurden bisher nicht beobachtet.

Wimmer und Kollegen messen die Geschwindigkeit des „Schalls“ in dieser Lichtflüssigkeit, wobei sich Schall auf Wellen bezieht, die sich in der synthetischen Dimension ausbreiten. Ihre Technik ähnelt dem Fallenlassen eines Steins in einem Teich: Indem der Stein einen Teil des Teichwassers abstößt, erzeugt er Wellen, die sich mit der Geschwindigkeit von Wasserwellen ausbreiten. In diesem Experiment ist der „Teich“ eine annähernd homogene Flüssigkeit, die sich über etwa zehn Synthesestellen erstreckt; Der „Stein“ ist eine abstoßende Kraft, die die Forscher an einigen Stellen im Zentrum der Flüssigkeit erzeugen. Diese abstoßende Kraft erzeugt Lichtwellen, die sich mit der Schallgeschwindigkeit des leichten Superfluids in der synthetischen Dimension nach außen ausbreiten. Messungen der Ausbreitung der Wellen stimmen qualitativ (mit einigen Abweichungen, die wahrscheinlich auf experimentelle Unvollkommenheiten zurückzuführen sind) mit der hydrodynamischen Theorie überein. Konkret verhält sich das Licht wie ein Superfluid, das Hindernisse ohne Verlust durchdringt.

Um die Eigenschaften dieses Superfluids weiter zu erforschen, ziehen Wimmer und Kollegen ein „Hindernis“ hindurch. Genauer gesagt oszillieren sie die Position einer lokalisierten Potentialenergiequelle und messen die Energie, die diese in der Flüssigkeit deponiert. In einer gewöhnlichen Flüssigkeit würde die Energie deponiert werden, unabhängig von der Geschwindigkeit des Hindernisses, während in einer Supraflüssigkeit die Dissipation erst oberhalb einer sogenannten kritischen Geschwindigkeit erfolgt. Tatsächlich beobachten die Forscher dieses Verhalten in ihrem synthetischen Superfluid: Bei hinreichend langsamen Schwingungen bleibt die potentielle Energie unverändert, während bei Schwingungen, die schneller als eine kritische Schwingungsrate sind, Energie auf das Fluid übertragen wird. Die breite Übereinstimmung zwischen den gemessenen und vorhergesagten kritischen Geschwindigkeiten bestätigt die supraflüssige Interpretation.

Diese Ergebnisse verdeutlichen die Möglichkeiten, die sich durch die Entwicklung von Lichtwechselwirkungen in optischen Maschengittern ergeben. Die einstellbare Wechselwirkungsstärke sowie die räumliche und zeitliche Kontrolle der potentiellen Energien und der Gittergeometrie machen diese Plattform äußerst vielseitig. Die von Wimmer und Kollegen beobachtete Supraflüssigkeitsphysik ist ein schönes Beispiel dafür, wie diese Vielseitigkeit genutzt werden kann, um Licht auf neuartige und interessante Weise zu verhalten. In Zukunft könnte eine ähnliche Technik verwendet werden, um nichtlineare Bandstrukturen wie Schwalbenschwänze [9], das Zusammenspiel von Kondensat mit thermischen Anregungen und das Verhalten wechselwirkender Bose-Kondensate bei Vorhandensein von Topologie oder Dissipation zu untersuchen.

Eine interessante (wenn auch spekulativere) Richtung wäre die Ausweitung dieser Experimente auf den Quantenbereich, wo Photonen – einzelne Quanten des Lichtfeldes – relevant sind. In diesem Regime könnten die Experimente als Quantensimulatoren dienen, die in der Lage sind, physikalische Systeme nachzuahmen, die für klassische Computer unlösbar sind, oder sie könnten in der Lage sein, Quantenzustände zu erzeugen, die in Sensorgeräten genutzt werden könnten, die jedes klassische Gerät übertreffen. Während die technischen Herausforderungen zum Erreichen des Quantenregimes gewaltig sind, habe ich immer wieder beobachtet, wie Experimentatoren gewaltige Herausforderungen meisterten. Unabhängig davon, in welche Richtung die Experimente gehen, bieten optische Flüssigkeiten in synthetischen Dimensionen optischer Maschengitter den Physikern vielfältige Phänomene, die es zu erforschen gilt.

Kaden Hazzard ist außerordentlicher Professor für Physik an der Rice University, Texas. Er erhielt seinen Ph.D. 2010 schloss er sein Studium an der Cornell University, New York, ab und absolvierte anschließend ein Postdoktorandenstipendium am JILA, Colorado. Er ist ein Theoretiker, der sich für Quanten-Vielteilchensysteme interessiert, insbesondere für ultrakalte Materie. Seine Gruppe beschäftigt sich mit ultrakalten Systemen, kondensierter Materie und Quanteninformation. Die laufende Forschung umfasst neuartige Quantensimulationen unter Verwendung atomarer, molekularer und optischer Systeme, synthetischer Dimensionen, exakt lösbarer Modelle und exotischer Materie. Weitere Informationen finden Sie unter https://kaden.rice.edu/

Martin Wimmer, Monika Monika, Iacopo Carusotto, Ulf Peschel, and Hannah M. Price

Physik. Rev. Lett. 127, 163901 (2021)

Veröffentlicht am 11. Oktober 2021

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