Angestoßene Quantensysteme können die Entstehung einer dynamischen Lokalisierung zeigen, die die Energieabsorption einschränkt und zum Zusammenbruch der Ergodizität führt, im Gegensatz zu klassischen angetriebenen Systemen, die chaotisches Verhalten und diffusive Energieakkumulation zeigen. Es war lange unklar, wie sich dynamisch lokalisierte Zustände entwickeln, wenn Vielteilchenwechselwirkungen bestehen.
Eine neue Studie der Physiker von UC Santa Barbara und der University of Maryland sowie der University of Washington haben eine Antwort auf die seit langem bestehende physikalische Frage gefunden: Wie wirken sich Wechselwirkungen zwischen Teilchen auf die dynamische Lokalisierung aus?
Die Frage bezieht sich auf die „Vielteilchen“-Physik, die die physikalischen Eigenschaften eines Quantensystems mit zahlreichen Datentypen untersucht. Vielteilchenprobleme sind seit Jahrzehnten Gegenstand von Forschung und Diskussion. Die Komplexität dieser Systeme, zusammen mit Quantenphänomenen wie Überlagerung und Verschränkung, führt zu einer Vielzahl von Möglichkeiten, so dass eine alleinige rechnerische Beantwortung schwierig ist.
Glücklicherweise war dieses Problem nicht außerhalb der Reichweite eines Experiments mit ultrakalten Lithiumatomen und Lasern. Also, laut Wissenschaftlern, a seltsamer Quantenzustand entsteht, wenn man die Interaktion ungeordnet, chaotisch einführt Quantensystem.
David Weld(Link ist extern), ein Experimentalphysiker an der UCSB mit Spezialisierung auf ultrakalte Atomphysik und Quantensimulation, sagte: „Es handelt sich um einen anomalen Zustand mit Eigenschaften, die in gewissem Sinne zwischen der klassischen Vorhersage und der nichtwechselwirkenden Quantenvorhersage liegen.“
„Wenn es um seltsames, kontraintuitives Verhalten geht, enttäuscht die Quantenwelt nicht. Nehmen wir zum Beispiel ein normales Pendel, das sich genau so verhält, wie wir es erwarten, wenn es Energieimpulsen ausgesetzt wird.“
„Wenn man dagegen tritt und es von Zeit zu Zeit auf und ab schüttelt, absorbiert ein klassisches Pendel kontinuierlich Energie, beginnt überall hin und her zu wackeln und erforscht den gesamten Parameterraum chaotisch.“
Das Chaos in Quantensystemen scheint anders zu sein. Die Störung kann dazu führen, dass Partikel gewissermaßen zum Stillstand kommen. Während ein getretenes Quantenpendel oder „Rotor“ anfänglich Energie aus den Stößen absorbieren kann, ähnlich wie ein klassisches Pendel, hört das System bei wiederholten Stößen auf, Energie zu absorbieren, und die Impulsverteilung friert in einem sogenannten dynamisch lokalisierten Zustand ein.
Dieser lokalisierte Zustand ähnelt stark dem Verhalten eines „schmutzigen“ elektronischen Festkörpers, bei dem Unordnung zu unbeweglichen, lokalisierten Elektronen führt. Es bewirkt, dass ein Festkörper von einem Metall oder einem Leiter (bewegte Elektronen) zu einem Isolator wird.
Während dieser Lokalisierungszustand seit Jahrzehnten im Zusammenhang mit einzelnen, nicht wechselwirkenden Teilchen erforscht wird, stellt sich die Frage: Was passiert in einem ungeordneten System mit mehreren wechselwirkenden Elektronen? Fragen wie diese und verwandte Aspekte des Quantenchaos beschäftigten Weld und seinen Co-Autor, den Theoretiker Victor Galitski von der University of Maryland, während einer Diskussion vor einigen Jahren, als Galitski Santa Barbara besuchte.
Weld zurückgerufen, „Victor hat die Frage aufgeworfen, was passiert, wenn man statt dieses reinen, nicht wechselwirkenden Quantensystems, das durch Interferenz stabilisiert wird, eine Reihe dieser Rotoren hat und sie alle zusammenstoßen und miteinander interagieren und interagieren können.“ Bleibt die Lokalisierung bestehen oder wird sie durch die Wechselwirkungen zerstört?“
Galizki sagte: „Tatsächlich handelt es sich um eine komplizierte Frage, die sich auf die Grundlagen der statistischen Mechanik und den Grundgedanken der Ergodizität bezieht, wobei die meisten interagierenden Systeme schließlich zu einem universellen Zustand werden.“
„Stellen Sie sich für einen Moment vor, Sie gießen kalte Milch in heißen Kaffee. Die Partikel in Ihrem Becher werden sich im Laufe der Zeit und durch ihre Wechselwirkungen in einem einheitlichen Gleichgewichtszustand anordnen, der weder rein noch rein ist heißer Kaffee oder kalte Milch. Diese Art von Verhalten – Thermalisierung – wurde von allen interagierenden Systemen erwartet. Das heißt, bis vor etwa 16 Jahren argumentiert wurde, dass Unordnung in einem Quantensystem zu einer Vielteilchenlokalisierung (MBL) führen würde.“
„Dieses Phänomen, das Anfang des Jahres mit dem Lars-Onsager-Preis ausgezeichnet wurde, lässt sich theoretisch oder experimentell nur schwer schlüssig beweisen.“
Das Team von Weld verfügt über die Werkzeuge, die Technologie und das Wissen, um effektiv Licht in die Angelegenheit zu bringen. In ihrem Labor schweben 100,000 ultrakalte Lithiumatome in einer stehenden Lichtwelle in Gas. Jedes Atom stellt einen Quantenrotor dar, den Laserpulse zum Funken bringen können.
Mit einem Feshbach-Resonanzgerät können Wissenschaftler die Atome voneinander abschirmen oder sie durch beliebig starke Wechselwirkungen voneinander abprallen lassen. Mit einem Knopfdruck konnten die Forscher die Lithiumatome vom Line Dance zum Mosh Pit bewegen und ihr Verhalten einfangen.
Wie erwartet konnten die Atome, als sie einander nicht sehen konnten, wiederholten Stößen des Lasers standhalten, bis sie zu einem bestimmten Zeitpunkt aufhörten, sich in ihrer dynamisch lokalisierten Form zu bewegen. Als die Wissenschaftler jedoch die Interaktion verstärkten, verschwand nicht nur der begrenzte Zustand, sondern es schien auch, als würde das System die Energie der wiederholten Tritte absorbieren und so klassisches, chaotisches Verhalten simulieren.
Weld sagte: „Während das interagierende ungeordnete Quantensystem Energie absorbierte, tat es dies jedoch viel langsamer als ein klassisches System.“
„Wir sehen etwas, das Energie absorbiert, aber nicht so gut wie ein klassisches System. Und es scheint, als würde die Energie ungefähr mit der Quadratwurzel der Zeit wachsen, statt linear mit der Zeit. Die Interaktionen machen es also nicht klassisch; Es ist immer noch ein seltsamer Quantenzustand, der eine anomale Nicht-Lokalisierung aufweist.“
Wissenschaftler verwendeten eine Methode namens Echo. Bei dieser Methode wird die kinetische Entwicklung vorwärts und dann rückwärts ausgeführt, um zu messen, wie Wechselwirkungen die Zeitreversibilität direkt zerstören. Ein entscheidender Indikator für Quantenchaos ist die Zerstörung der Zeitreversibilität.
Co-Autor Roshan Sajjad, ein Doktorand im Lithium-Team, sagte: „Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, zu fragen: Wie viel Erinnerung an den Ausgangszustand hat das System nach einiger Zeit?“
„Wenn keine Störungen wie Streulicht oder Gaskollisionen auftreten, sollte das System in der Lage sein, in seinen Ausgangszustand zurückzukehren, wenn die Physik rückwärts ausgeführt wird. In unserem Experiment kehren wir die Zeit um, indem wir die Phase der Tritte umkehren und so die Auswirkungen des ersten normalen Trittsatzes „rückgängig machen“. Ein Teil unserer Faszination bestand darin, dass verschiedene Theorien unterschiedliche Verhaltensweisen für das Ergebnis dieser Art von Interaktionsaufbau vorhergesagt hatten, aber noch nie jemand das Experiment durchgeführt hatte.“
Der Hauptautor Alec Cao sagte: „Die grobe Vorstellung von Chaos besteht darin, dass ein Vielteilchensystem, obwohl die Bewegungsgesetze zeitlich umkehrbar sind, so kompliziert und empfindlich gegenüber Störungen sein kann, dass es praktisch unmöglich ist, in seinen Ausgangszustand zurückzukehren. Die Wendung bestand darin, dass in einem effektiv ungeordneten (lokalisierten) Zustand die Wechselwirkungen die Lokalisierung etwas unterbrachen, selbst wenn das System seine Fähigkeit zur Zeitumkehr verlor.“
Sajjad sagte: „Naiverweise würde man erwarten, dass Interaktionen die Zeitumkehr ruinieren, aber wir haben etwas Interessanteres gesehen: Ein wenig Interaktion hilft! Dies war eines der überraschenderen Ergebnisse dieser Arbeit.“
Wissenschaftler führten ein ergänzendes Experiment durch, das mit schwereren Atomen in einem eindimensionalen Kontext zu ähnlichen Ergebnissen führte.
Gupta sagte, „Die Experimente an der UW liefen in einem sehr schwierigen physikalischen Regime ab, bei dem 25-mal schwerere Atome nur in einer Dimension bewegt werden konnten, aber auch ein schwächeres als lineares Energiewachstum durch periodische Stöße gemessen wurde, was Licht auf einen Bereich wirft, in dem theoretische Ergebnisse vorliegen.“ widersprüchlich.“
Weld sagte: „Diese Erkenntnisse werfen, wie viele wichtige Ergebnisse der Physik, weitere Fragen auf und ebnen den Weg für weitere Quantenchaos-Experimente, bei denen die begehrte Verbindung zwischen klassischem und klassischem Quantenchaos entsteht Quantenphysik kann aufgedeckt werden.“
Galitski kommentierte: „Davids Experiment ist der erste Versuch, eine dynamische Version von MBL in einer kontrollierteren Laborumgebung zu testen. Auch wenn die grundlegende Frage auf die eine oder andere Weise nicht eindeutig geklärt ist, zeigen die Daten, dass etwas Seltsames vor sich geht.“
Schweißen sagte, „Wie können wir diese Ergebnisse im Kontext der sehr umfangreichen Arbeiten zur Vielteilchenlokalisierung in Systemen kondensierter Materie verstehen? Wie können wir diesen Zustand der Materie charakterisieren? Wir beobachten, dass das System delokalisiert, jedoch nicht mit der erwarteten linearen Zeitabhängigkeit; was ist da los? Wir freuen uns auf zukünftige Experimente, die diese und andere Fragen untersuchen.“
Journal Referenz:
- Siehe Toh, J. H., McCormick, K. C., Tang, X. et al. Dynamische Vielteilchendelokalisierung in einem gekickten eindimensionalen ultrakalten Gas. Nat. Physik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
