Ученые впервые наблюдали экзотическое физическое явление

После десятилетий неудачных попыток физики непосредственно наблюдали экзотическое физическое явление, называемое неабелевым эффектом Ааронова-Бома. Результаты могут привести к реализации так называемых топологических фаз и, в конечном итоге, к отказоустойчивым квантовым компьютерам.

Калибровочные поля, которые описывают преобразования, которые претерпевают частицы, имеют решающее значение для понимания и манипулирования физическими системами.

Эти поля делятся на два класса: абелевы, в которых измеренные воздействия на наблюдаемый параметр являются коммутативными; и неабелевы, где имеет значение последовательность, в которой применяется поле.

Эффект Ааронова-Бома, названный в честь теоретиков, предсказавших его в 1959 году, подтвердил, что калибровочные поля имеют физические последствия. Но наблюдения работали только в абелевых системах.

В 1975 году Тай-Цун Ву и Чен-Нинг Ян обобщили эффект для неабелева режима как мысленный эксперимент. Тем не менее, оставалось неясным, возможно ли вообще наблюдать эффект в неабелевой системе.

Физикам не хватало способов создания эффекта в лаборатории, а также не хватало способов обнаружения эффекта, даже если он мог быть получен. Теперь обе эти задачи были решены, и наблюдения проведены успешно.

«Практически все фундаментальные физические явления не зависят от времени. Это означает, что детали того, как частицы и силы взаимодействуют, могут идти вперед или назад во времени, и фильм о том, как разворачиваются события, может быть запущен в любом направлении, поэтому невозможно определить, какая версия является реальной», — поясняют аспирант Массачусетского технологического института Йи Янг, профессор Пенсильванского университета Бо Чжэнь и их коллеги.

«Создание абелевой версии эффектов Ааронова-Бома требует нарушения симметрии обращения времени, что само по себе является сложной задачей. Но чтобы добиться неабелевой версии эффекта, необходимо преодолеть это временное обращение многократно и разными способами, что делает его еще более сложной задачей».

Для создания эффекта физики использовали поляризацию фотонов. Затем они произвели два различных вида прерывания времени.

Ученые использовали волоконную оптику для создания двух типов калибровочных полей, которые влияли на геометрические фазы оптических волн, во-первых, посылая их через кристалл, смещенный под действием мощных магнитных полей, а во-вторых, модулируя их изменяющимися во времени электрическими сигналами, оба из которых нарушали симметрию обращения времени.

Затем они смогли создать интерференционные картины, которые выявили различия в воздействии света при передаче через оптоволоконную систему в противоположных направлениях по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Без нарушения инвариантности обращения времени лучи должны были быть идентичными, но вместо этого их интерференционные картины выявили определенные наборы различий, как и предполагалось, демонстрируя детали неуловимого эффекта.

«Первоначальная абелева версия эффекта Ааронова-Бома была обнаружена с помощью ряда экспериментальных усилий, но неабелевого эффекта до сих пор не наблюдалось», — говорят исследователи.

«Открытие позволяет нам делать много вещей, открывая двери для широкого спектра потенциальных экспериментов, включая классические и квантово-физические режимы, для изучения вариаций эффекта». Результаты были опубликованы в журнале Science.