يمكن أن تعرض الأنظمة الكمومية المتعثرة ظهور التوطين الديناميكي ، الذي يقيد امتصاص الطاقة ويسبب انهيار ergodicity ، على عكس الأنظمة المدفوعة الكلاسيكية ، والتي تعرض سلوكًا فوضويًا وتراكم طاقة منتشر. لطالما كان من غير الواضح كيف تتطور الحالات المترجمة ديناميكيًا عند وجود تفاعلات متعددة الأجسام.
دراسة جديدة قام بها علماء الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربارا وجامعة ماريلاند ، وكذلك في جامعة واشنطن ، قد وجدوا إجابة لسؤال فيزيائي طويل الأمد: كيف تؤثر التفاعلات بين الجسيمات على التوطين الديناميكي؟
يتعلق السؤال بفيزياء "الأجسام المتعددة" ، والتي تستكشف الخصائص الفيزيائية لنظام كمي مع أنواع بيانات عديدة. كانت مشاكل العديد من الجسد موضوع البحث والمناقشة لعقود. تعقيد هذه الأنظمة ، جنبًا إلى جنب مع الظواهر الكمومية مثل تراكب و تشابك، يؤدي إلى مجموعة واسعة من الاحتمالات ، مما يجعل من الصعب الإجابة من خلال الحساب وحده.
لحسن الحظ ، لم تكن هذه المشكلة بعيدة عن متناول تجربة تضمنت ذرات الليثيوم فائقة البرودة والليزر. لذلك ، وفقًا للعلماء ، أ حالة كمية غريبة يظهر عندما تقدم تفاعلًا في حالة فوضى مضطربة نظام الكم.
ديفيد ويلد (link is external) ، عالم فيزياء تجريبي في UCSB متخصص في الفيزياء الذرية شديدة البرودة والمحاكاة الكمومية ، "إنها حالة شاذة ، لها خصائص تقع بشكل ما بين التنبؤ الكلاسيكي والتنبؤ الكمي غير التفاعلي."
عندما يتعلق الأمر بسلوك غريب وغير بديهي ، لا يخيب عالم الكم. خذ ، على سبيل المثال ، بندولًا عاديًا ، والذي من شأنه أن يتصرف تمامًا كما نتوقعه عندما نتعرض لنبضات الطاقة ".
"إذا ركلته وهزته لأعلى ولأسفل من حين لآخر ، فإن البندول الكلاسيكي سوف يمتص الطاقة باستمرار ، ويبدأ في الاهتزاز في كل مكان ، ويستكشف مساحة المعلمة بأكملها بشكل عشوائي."
تبدو الفوضى في الأنظمة الكمومية مختلفة. يمكن أن يسبب الاضطراب الجسيمات إلى نوع من الجمود. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن البندول الكمي المطرود أو "الدوار" قد يمتص في البداية الطاقة من الركلات ، على غرار البندول الكلاسيكي ، مع الركلات المتكررة ، يتوقف النظام عن امتصاص الطاقة ، ويتجمد توزيع الزخم فيما يُعرف بالحالة المحلية الديناميكية.
هذه الحالة الموضعية تشبه إلى حد بعيد سلوك مادة صلبة إلكترونية "قذرة" ، حيث ينتج عن الاضطراب إلكترونات غير متحركة ومترجمة. يتسبب في انتقال المادة الصلبة من كونها معدنًا أو موصلًا (إلكترونات متحركة) إلى عازل.
بينما تم استكشاف حالة التوطين هذه لعقود في سياق جسيمات مفردة غير متفاعلة ، ماذا يحدث في نظام غير منظم به إلكترونات متعددة متفاعلة؟ أسئلة مثل هذه والجوانب ذات الصلة بالفوضى الكمومية كانت في أذهان ويلد ومؤلفه المشارك ، فيكتور جاليتسكي ، المنظر بجامعة ماريلاند ، خلال مناقشة قبل عدة سنوات عندما كان جاليتسكي يزور سانتا باربرا.
يتذكر اللحام ، أثار فيكتور السؤال عما يحدث إذا ، بدلاً من هذا النظام الكمي الخالص غير المتفاعل والمثبت بالتداخل ، لديك مجموعة من هذه الدوارات ، ويمكنها جميعًا الاصطدام والتفاعل مع بعضها البعض والتفاعل مع بعضها البعض. هل يستمر التوطين ، أم أن التفاعلات تدمره؟ "
قال جاليتسكي ، "في الواقع ، إنه سؤال معقد يتعلق بأسس الميكانيكا الإحصائية والمفهوم الأساسي للجودة ، حيث يتم تحويل معظم الأنظمة المتفاعلة في النهاية إلى حالة عالمية".
"تخيل للحظة صب الحليب البارد في القهوة الساخنة. الجزيئات الموجودة في الكوب الخاص بك ، بمرور الوقت ومن خلال تفاعلاتها ، سترتب نفسها في حالة موحدة ومتوازنة ليست محضة. القهوة الساخنة أو حليب بارد. كان هذا النوع من السلوك - الحراري - متوقعًا من جميع الأنظمة المتفاعلة. هذا ، حتى ما يقرب من 16 عامًا عندما قيل أن الاضطراب في النظام الكمي كان يُعتقد أنه يؤدي إلى توطين العديد من الأجسام (MBL). "
"هذه الظاهرة ، التي اعترفت بها جائزة لارس أونساجر في وقت سابق من هذا العام ، يصعب إثباتها نظريًا أو تجريبيًا بصرامة."
يمتلك فريق Weld الأداة والتكنولوجيا والمعرفة لتسليط الضوء على هذه المسألة بشكل فعال. يتم تعليق 100,000 من ذرات الليثيوم شديدة البرودة في موجة دائمة من الضوء في الغاز في مختبرهم. تمثل كل ذرة دوارًا كميًا يمكن لنبضات الليزر أن تثيره.
باستخدام أداة الرنين Feshbach ، يمكن للعلماء إبقاء الذرات مخفية عن بعضها البعض أو جعلها ترتد عن بعضها البعض بتفاعلات قوية بشكل عشوائي. باستخدام مقبض ، يمكن للباحثين جعل ذرات الليثيوم تنتقل من رقصة الخط إلى حفرة موش والتقاط سلوكياتهم.
كما كان متوقعًا ، عندما كانت الذرات غير قادرة على رؤية بعضها البعض ، كانت قادرة على تحمل ركلات متكررة من الليزر حتى نقطة معينة ، وفي ذلك الوقت توقفت عن الحركة في شكلها المحلي الديناميكي. ومع ذلك ، عندما زاد العلماء من التفاعل ، لم تختفي الحالة المحصورة فحسب ، بل بدا أيضًا أن النظام كان يمتص الطاقة من الركلات المتكررة ، محاكياً السلوك الكلاسيكي الفوضوي.
قال ويلد ، "ومع ذلك ، بينما كان النظام الكمي المختلط المتفاعل يمتص الطاقة ، كان يفعل ذلك بمعدل أبطأ بكثير من النظام الكلاسيكي."
"نحن نرى شيئًا يمتص الطاقة ، ولكن ليس كما يمكن للنظام الكلاسيكي. ويبدو أن الطاقة تنمو تقريبًا مع الجذر التربيعي للوقت بدلاً من النمو الخطي مع الوقت. لذا فإن التفاعلات لا تجعلها كلاسيكية. لا تزال حالة كمومية غريبة تظهر عدم توطين شاذ ".
استخدم العلماء طريقة تسمى الصدى. في هذه الطريقة ، يتم تشغيل التطور الحركي للأمام ثم للخلف لقياس كيفية تدمير التفاعلات لعكس الوقت مباشرة. أحد المؤشرات الحاسمة للفوضى الكمية هو تدمير قابلية عكس الزمن.
قال المؤلف المشارك روشان سجاد ، طالب دراسات عليا باحث في فريق الليثيوم ، "هناك طريقة أخرى للتفكير في هذا وهي طرح السؤال: ما مقدار ذاكرة الحالة الأولية التي يمتلكها النظام بعد مرور بعض الوقت؟"
"في حالة عدم وجود أي اضطرابات مثل الضوء الشارد أو تصادم الغاز ، يجب أن يكون النظام قادرًا على العودة إلى حالته الأولية إذا تم تشغيل الفيزياء للخلف. في تجربتنا ، قمنا بعكس الوقت عن طريق عكس مرحلة الركلات ، "بالتراجع" عن تأثيرات المجموعة العادية الأولى من الركلات. كان جزء من افتتاننا هو أن نظريات مختلفة تنبأت بسلوكيات مختلفة حول نتيجة هذا النوع من الإعداد التفاعلي ، ولكن لم يسبق لأحد أن أجرى التجربة ".
قال المؤلف الرئيسي أليك كاو ، "الفكرة التقريبية للفوضى هي أنه على الرغم من أن قوانين الحركة يمكن عكسها بمرور الوقت ، فإن نظام الجسيمات المتعددة يمكن أن يكون شديد التعقيد وحساسًا للاضطرابات التي يستحيل عمليًا العودة إلى حالتها الأولية. كان الالتواء أنه في حالة الاضطراب (الموضعية) بشكل فعال ، حطمت التفاعلات التوطين إلى حد ما حتى عندما فقد النظام قدرته على عكس الوقت ".
قال سجاد ، "بشكل ساذج ، كنت تتوقع أن تدمر التفاعلات انعكاس الوقت ، لكننا رأينا شيئًا أكثر إثارة للاهتمام: القليل من التفاعل يساعد! كانت هذه واحدة من أكثر نتائج هذا العمل إثارة للدهشة ".
أجرى العلماء تجربة تكميلية أسفرت عن نتائج مماثلة باستخدام ذرات أثقل في سياق أحادي البعد.
قال جوبتا ، "التجارب في UW عملت في نظام فيزيائي صعب للغاية مع ذرات أثقل 25 مرة مقيدة بالتحرك في بُعد واحد فقط ، ومع ذلك فقد تم قياس نمو الطاقة الأضعف من الخطي من الركل الدوري ، مما يلقي الضوء على منطقة حيث النتائج النظرية لها متضاربة ".
قال ويلد ، "هذه النتائج ، مثل العديد من النتائج الفيزيائية المهمة ، تفتح المزيد من الأسئلة وتمهد الطريق لمزيد من تجارب الفوضى الكمومية ، حيث الرابط المطلوب بين الكلاسيكية و فيزياء الكم قد يتم الكشف عنها ".
علق Galitski ، "تجربة ديفيد هي المحاولة الأولى لفحص نسخة ديناميكية من MBL في بيئة معملية أكثر تحكمًا. في حين أنها لم تحل السؤال الأساسي بشكل لا لبس فيه بطريقة أو بأخرى ، تظهر البيانات أن شيئًا غريبًا يحدث ".
حام محمد, كيف يمكننا فهم هذه النتائج في سياق مجموعة كبيرة جدًا من العمل على توطين العديد من الأجسام في أنظمة المادة المكثفة؟ كيف يمكننا وصف حالة المادة هذه؟ نلاحظ أن النظام يقوم بإلغاء تحديد الموقع ، ولكن ليس مع الاعتماد على الوقت الخطي المتوقع ؛ ما الذي يحدث هناك؟ نحن نتطلع إلى تجارب مستقبلية تستكشف هذه الأسئلة وغيرها ".
المرجع مجلة:
- انظر Toh و JH و McCormick و KC و Tang و X. et al. إلغاء التمركز الديناميكي للعديد من الأجسام في غاز شديد البرودة أحادي البعد. نات. فيز. (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1038 / s41567-022-01721-ث
