Kinks, skinks en supersymmetrie

Supersymmetrie is een symmetrie waarvan vaak wordt verondersteld dat die tussen elementaire deeltjes in de natuur voorkomt. Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam en QuSoft doen nu een voorstel voor een systeem waarin supersymmetrie ook waargenomen kan worden tussen klompjes energie in een materiaal – zogeheten kinks en skinks.

De onderzoekers publiceerden hun werk in Physical Review Letters.

 Supersymmetrie is een hypothetische symmetrie in de natuur die de bekende soorten elementaire deeltjes verbindt met andere deeltjes die daar heel erg op lijken: hun ‘superpartners'. Geïnspireerd door de schoonheid van dit idee hebben vaste-stoffysici voorgesteld om supersymmetrie ook te gebruiken voor een beter begrip van de ingewikkelde problemen, zoals het gedrag van grote groepen van sterk wisselwerkende kwantumdeeltjes - berekeningen waarvoor vaak een numerieke benadering, hoewel beperkt, de enige optie is.

Dat is in het bijzonder het geval voor elektronen in vaste-stofsystemen die interacties met elkaar hebben: een bron van onbeantwoorde vragen. Een goed voorbeeld is de vraag waarom en wanneer sommige materialen, bij relatief hoge temperaturen, volledig hun weerstand voor elektrische stroom kunnen verliezen en supergeleiders worden.

Om dergelijke vragen te kunnen beantwoorden, hebben natuurkundigen theoretische modellen ontworpen die expliciet gebruikmaken van supersymmetrie. Het doel is om een beter begrip te krijgen van de kwantumtoestanden van materie die bestaat uit fermionen, een deeltjesfamilie met soortgelijke eigenschappen als het elektron.

Kinks en skinks

Tot nu toe waren bovenstaande overwegingen vooral het werkterrein van de theoretici. In hun nieuwe artikel stellen Jiří Minář, Bart van Voorden en Kareljan Schoutens echter voor het eerst voor hoe zulke supersymmetrische systemen mogelijk ook in een laboratorium gerealiseerd kunnen worden, door gebruik te maken van neutrale aromen die afgekoeld worden tot een temperatuur vlak boven het absolute nulpunt, meer dan 270 graden Celsius onder nul. De atomen worden gemanipuleerd met lasers, waardoor ze in een hoge aangeslagen toestand worden gebracht, de zogeheten Rydbergtoestand, die het overbrengen van interacties tussen de atomen vergemakkelijkt. Zulke systemen van Rydbergatomen worden tegenwoordig veel gebruikt in laboratoria, onder meer omdat ze een van de meest veelbelovende platforms vormen voor de realisatie van een kwantumcomputer.

Het bestudeerde systeem kent topologische quasideeltjesexcitaties - gelokaliseerde klompjes energie die ook wel kinks worden genoemd - plus hun door supersymmetrie vereiste superpartners, de skinks. De onderzoekers waren in staat om een expliciet experimenteel protocol op te stellen om de dynamica van zowel kinks als skinks in te stellen en te detecteren. De opmerkelijke eigenschap van het system is dat de manier waarop de gemeten grootheden in de loop van de tijd veranderen identiek is voor kinks en skinks. Dat is een duidelijk experimenteel teken dat deze quasideeltjes inderdaad heel veel op elkaar lijken - met andere woorden: het toont de onderliggende supersymmetrie.

Meer dimensies

Het onderzoek richtte zich op het eenvoudigste scenario: een ééndimensionaal rooster waarin de atomen allemaal op een lijn zijn gerangschikt. Het werk biedt niet alleen inspiratie voor mogelijke experimentele realisaties van supersymmetrie aan de hand van bestaande technieken, maar ook voor het ontwerp van complexere simulatoren van supersymmetrische modellen in meer dan één dimensie - waarin de atomen in een plat vlak gerangschikt zijn, of zelfs in alle drie de dimensies. Er is bekend dat zulke systemen heel bijzondere eigenschappen hebben, waarvan de onderliggende natuurkunde nog altijd slecht begrepen is. Een kwantumsimulator van Rydbergatomen zou het juiste gereedschap kunnen zijn om in de toekomst dergelijke vragen te beantwoorden.