Kicked quantum systemer kan vise fremkomsten af dynamisk lokalisering, som begrænser energiabsorption og forårsager nedbrydning af ergodicity, i modsætning til klassiske drevne systemer, som viser kaotisk adfærd og diffusiv energiakkumulering. Det har længe været uklart, hvordan dynamisk lokaliserede tilstande udvikler sig, når der eksisterer mange-kropsinteraktioner.
En ny undersøgelse foretaget af fysikerne ved UC Santa Barbara og University of Maryland, og også ved University of Washington, har fundet et svar på det mangeårige fysikspørgsmål: Hvordan påvirker interpartikelinteraktioner dynamisk lokalisering?
Spørgsmålet vedrører "mange-legeme"-fysik, som udforsker de fysiske karakteristika af et kvantesystem med adskillige datatyper. Mange-kropsproblemer har været genstand for forskning og diskussion i årtier. Kompleksiteten af disse systemer, sammen med kvantefænomener som superposition , sammenfiltring, fører til en bred vifte af muligheder, hvilket gør det vanskeligt at besvare gennem beregning alene.
Heldigvis var dette problem ikke uden for rækkevidde af et eksperiment, der involverede ultrakolde lithiumatomer og lasere. Så ifølge videnskabsmænd, en mærkelig kvantetilstand opstår, når du introducerer interaktion i en uordnet, kaotisk kvantesystem.
David Weld (link is external), en eksperimentel fysiker ved UCSB med specialiteter i ultrakold atomfysik og kvantesimulering sagde, "Det er en tilstand, som er anomal, med egenskaber, der på en eller anden måde ligger mellem den klassiske forudsigelse og den ikke-interagerende kvanteforudsigelse."
"Når det kommer til mærkelig, kontraintuitiv adfærd, skuffer kvanteverdenen ikke. Tag for eksempel et almindeligt pendul, som ville opføre sig præcis, som vi forventer, at det skal, når det udsættes for energiimpulser."
"Hvis du sparker den og ryster den op og ned en gang imellem, vil et klassisk pendul konstant absorbere energi, begynde at vrikke over det hele og udforske hele parameterrummet kaotisk."
Kaosset i kvantesystemer virker anderledes. Lidelsen kan få partikler til at stå stille. Derudover, mens et sparket kvantependul eller "rotor" oprindeligt kan absorbere energi fra sparkene, svarende til et klassisk pendul, med gentagne spark, stopper systemet med at absorbere energi, og momentumfordelingen fryser i det, der er kendt som en dynamisk lokaliseret tilstand.
Denne lokaliserede tilstand er tæt analog med opførselen af et "beskidt" elektronisk fast stof, hvor lidelse resulterer i immobile, lokaliserede elektroner. Det får et fast stof til at gå fra at være et metal eller en leder (elektroner i bevægelse) til en isolator.
Mens denne lokaliseringstilstand er blevet udforsket i årtier i sammenhæng med enkelte, ikke-interagerende partikler, hvad sker der så i et uordnet system med flere interagerende elektroner? Spørgsmål som dette og relaterede aspekter af kvantekaos var på Weld og hans medforfatter, University of Maryland-teoretikeren Victor Galitski, i sindet under en diskussion for flere år siden, da Galitski besøgte Santa Barbara.
Weld huskede, "Victor rejste spørgsmålet om, hvad der sker, hvis du i stedet for dette rene ikke-interagerende kvantesystem, som er stabiliseret af interferens, har en masse af disse rotorer, og de kan alle støde ind i og interagere med og interagere med hinanden. Vedvarer lokaliseringen, eller ødelægger interaktionerne den?”
Galitski sagde, "Det er faktisk et kompliceret spørgsmål, der relaterer til grundlaget for statistisk mekanik og den grundlæggende forestilling om ergodicity, hvorved de fleste interagerende systemer til sidst termaliserer til en universel tilstand."
“Forestil dig et øjeblik at hælde kold mælk i varm kaffe. Partiklerne i din kop vil over tid og gennem deres interaktioner arrangere sig selv i en ensartet ligevægtstilstand, der hverken er rent varm kaffe eller kold mælk. Denne type adfærd - termalisering - blev forventet af alle interagerende systemer. Det vil sige, indtil for omkring 16 år siden, hvor det blev hævdet, at forstyrrelser i et kvantesystem mentes at resultere i mange-kropslokalisering (MBL).
"Dette fænomen, anerkendt af Lars Onsager-prisen tidligere i år, er svært at bevise teoretisk eller eksperimentelt strengt."
Welds team har værktøjet, teknologien og viden til effektivt at kaste lys over sagen. 100,000 ultrakolde lithiumatomer er suspenderet i en stående bølge af lys i gas i deres laboratorium. Hvert atom repræsenterer en kvanterotor, som laserimpulser kan udløse.
Ved hjælp af et Feshbach-resonansværktøj kan videnskabsmænd holde atomerne tilsløret fra hinanden eller få dem til at hoppe af hinanden med vilkårligt stærke interaktioner. Ved at dreje på en knap kunne forskerne få lithium-atomerne til at gå fra linedance til mosh pit og fange deres adfærd.
Som forventet, når atomerne ikke var i stand til at se hinanden, var de i stand til at modstå gentagne spark fra laseren indtil et vist punkt, hvorefter de holdt op med at bevæge sig i deres dynamisk lokaliserede form. Men efterhånden som forskerne øgede interaktionen, forsvandt ikke kun den indelukkede tilstand, men det så også ud til, at systemet absorberede energien fra de gentagne spark og simulerede klassisk, kaotisk adfærd.
Weld sagde, "Men mens det interagerende uordnede kvantesystem absorberede energi, gjorde det det meget langsommere end et klassisk system."
"Vi ser noget, der absorberer energi, men ikke så godt, som et klassisk system kan. Og det ser ud til, at energien vokser nogenlunde med tidens kvadratrod i stedet for lineært med tiden. Så interaktionerne gør det ikke klassisk; det er stadig en mærkelig kvantetilstand, der udviser unormal ikke-lokalisering."
Forskere brugte en metode kaldet ekko. I denne metode køres den kinetiske udvikling frem og derefter bagud for at måle, hvordan interaktioner ødelægger tidsreversibiliteten direkte. En afgørende indikator for kvantekaos er ødelæggelsen af tidsreversibilitet.
Medforfatter Roshan Sajjad, en kandidatstuderende forsker på lithium-teamet, sagde: "En anden måde at tænke på dette er at spørge: Hvor meget hukommelse af den oprindelige tilstand har systemet efter nogen tid?"
"I fravær af forstyrrelser såsom herreløst lys eller gaskollisioner, burde systemet være i stand til at vende tilbage til sin oprindelige tilstand, hvis fysikken køres baglæns. I vores eksperiment vender vi tiden ved at vende fasen af sparkene, og 'fortryder' virkningerne af det første normale sæt af spark. En del af vores fascination var, at forskellige teorier havde forudsagt forskellig adfærd om resultatet af denne type interagerende opsætning, men ingen havde nogensinde lavet eksperimentet."
Hovedforfatter Alec Cao sagde, "Den grove idé om kaos er, at selvom bevægelseslovene er tidsreversible, kan et system med mange partikler være så kompliceret og følsomt over for forstyrrelser, at det praktisk talt er umuligt at vende tilbage til sin oprindelige tilstand. Twist var, at i en effektivt uordnet (lokaliseret) tilstand brød interaktionerne lokaliseringen noget, selvom systemet mistede sin kapacitet til at vende tilbage i tid."
Sajjad sagde, "Naivt nok ville man forvente, at interaktioner ville ødelægge tidsskift, men vi så noget mere interessant: Lidt interaktion hjælper! Dette var et af de mere overraskende resultater af dette arbejde."
Forskere kørte et komplementært eksperiment, der producerede lignende resultater ved hjælp af tungere atomer i en endimensionel sammenhæng.
Gupta sagde, "Eksperimenterne på UW opererede i et meget vanskeligt fysisk regime med 25 gange tungere atomer begrænset til kun at bevæge sig i én dimension, men målte også svagere end lineær energivækst fra periodisk spark, hvilket kastede lys over et område, hvor teoretiske resultater har i konflikt."
Weld sagde, "Disse resultater åbner ligesom mange vigtige fysikresultater op for flere spørgsmål og baner vejen for flere kvantekaoseksperimenter, hvor den eftertragtede forbindelse mellem klassisk og kvantefysik kan blive afsløret."
Galitski kommenterede, “Davids eksperiment er det første forsøg på at sondere en dynamisk version af MBL i et mere kontrolleret laboratoriemiljø. Selvom det ikke entydigt har løst det grundlæggende spørgsmål på den ene eller anden måde, viser dataene, at noget mærkeligt foregår."
Svejs sagde, "Hvordan kan vi forstå disse resultater i sammenhæng med det meget store arbejde med mange-legeme lokalisering i kondenseret stof systemer? Hvordan kan vi karakterisere denne materietilstand? Vi observerer, at systemet delokaliserer, men ikke med den forventede lineære tidsafhængighed; hvad sker der der? Vi ser frem til fremtidige eksperimenter, der udforsker disse og andre spørgsmål."
Journal Reference:
- Se Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Mange-krops dynamisk delokalisering i en sparket endimensionel ultrakold gas. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
