Τα κλωτσιά κβαντικά συστήματα μπορούν να εμφανίσουν την εμφάνιση δυναμικής εντόπισης, η οποία περιορίζει την απορρόφηση ενέργειας και προκαλεί τη διάσπαση της εργοδικότητας, σε αντίθεση με τα κλασικά καθοδηγούμενα συστήματα, τα οποία εμφανίζουν χαοτική συμπεριφορά και συσσώρευση διάχυτης ενέργειας. Από καιρό ήταν ασαφές πώς εξελίσσονται δυναμικά εντοπισμένες καταστάσεις όταν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις πολλών σωμάτων.
Μια νέα μελέτη από τους φυσικούς στο UC Santa Barbara και το Πανεπιστήμιο του Maryland, και επίσης στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, βρήκαν μια απάντηση στο μακροχρόνιο ερώτημα της φυσικής: Πώς επηρεάζουν οι διασωματιδιακές αλληλεπιδράσεις τον δυναμικό εντοπισμό;
Το ερώτημα αφορά τη φυσική «πολλών σωμάτων», η οποία διερευνά τα φυσικά χαρακτηριστικά ενός κβαντικού συστήματος με πολλούς τύπους δεδομένων. Τα προβλήματα πολλών σωμάτων αποτελούν αντικείμενο έρευνας και συζήτησης εδώ και δεκαετίες. Η πολυπλοκότητα αυτών των συστημάτων, μαζί με τα κβαντικά φαινόμενα όπως προσθήκη και μπλέξιμο, οδηγεί σε ένα τεράστιο εύρος δυνατοτήτων, καθιστώντας δύσκολη την απάντηση μόνο μέσω υπολογισμού.
Ευτυχώς, αυτό το πρόβλημα δεν ήταν πέρα από την εμβέλεια ενός πειράματος που αφορούσε υπερψυχρά άτομα λιθίου και λέιζερ. Έτσι, σύμφωνα με τους επιστήμονες, α περίεργη κβαντική κατάσταση αναδύεται όταν εισάγετε την αλληλεπίδραση σε μια διαταραγμένη, χαοτική κβαντικό σύστημα.
Ο David Weld (link is external), ένας πειραματικός φυσικός στο UCSB με ειδικότητες στην υπερψυχρή ατομική φυσική και την κβαντική προσομοίωση είπε, «Είναι μια κατάσταση που είναι ανώμαλη, με ιδιότητες που κατά κάποιο τρόπο βρίσκονται μεταξύ της κλασικής πρόβλεψης και της μη αλληλεπιδρούσας κβαντικής πρόβλεψης».
«Όταν πρόκειται για παράξενη, αντίθετη συμπεριφορά, ο κβαντικός κόσμος δεν απογοητεύει. Πάρτε, για παράδειγμα, ένα κανονικό εκκρεμές, το οποίο θα συμπεριφερόταν ακριβώς όπως το περιμένουμε όταν υποβληθεί σε ενεργειακούς παλμούς».
"Αν το κλωτσάς και το κουνάς πάνω-κάτω κάθε τόσο, ένα κλασικό εκκρεμές θα απορροφά συνεχώς ενέργεια, θα αρχίσει να κουνιέται παντού και θα εξερευνά ολόκληρο τον χώρο των παραμέτρων χαοτικά."
Το χάος στα κβαντικά συστήματα φαίνεται διαφορετικό. Η διαταραχή μπορεί να προκαλέσει σταμάτημα των σωματιδίων. Επιπλέον, ενώ ένα κλωτσημένο κβαντικό εκκρεμές ή «ρότορας» μπορεί αρχικά να απορροφήσει ενέργεια από τα λακτίσματα, παρόμοια με ένα κλασικό εκκρεμές, με επαναλαμβανόμενες κλωτσιές, το σύστημα σταματά να απορροφά ενέργεια και η κατανομή της ορμής παγώνει σε αυτό που είναι γνωστό ως δυναμικά εντοπισμένη κατάσταση.
Αυτή η εντοπισμένη κατάσταση είναι σχεδόν ανάλογη με τη συμπεριφορά ενός «βρώμικου» ηλεκτρονικού στερεού, στο οποίο η διαταραχή οδηγεί σε ακίνητα, εντοπισμένα ηλεκτρόνια. Προκαλεί τη μετάβαση ενός στερεού από μέταλλο ή αγωγό (κινητά ηλεκτρόνια) σε μονωτή.
Ενώ αυτή η κατάσταση εντοπισμού έχει διερευνηθεί για δεκαετίες στο πλαίσιο μεμονωμένων, μη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, τι συμβαίνει σε ένα διαταραγμένο σύστημα με πολλαπλά αλληλεπιδρώντα ηλεκτρόνια; Ερωτήματα όπως αυτό και σχετικές πτυχές του κβαντικού χάους ήταν στο μυαλό του Weld και του συν-συγγραφέα του, του θεωρητικού του Πανεπιστημίου του Maryland Victor Galitski, κατά τη διάρκεια μιας συζήτησης πριν από αρκετά χρόνια, όταν ο Galitski επισκεπτόταν τη Santa Barbara.
Ο Weld υπενθύμισε, «Ο Βίκτορ έθεσε το ερώτημα τι συμβαίνει εάν, αντί για αυτό το καθαρό μη αλληλεπιδρών κβαντικό σύστημα που σταθεροποιείται με παρεμβολές, έχετε ένα σωρό από αυτούς τους ρότορες, και μπορούν όλοι να προσκρούσουν και να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους και να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Επιμένει ο εντοπισμός ή οι αλληλεπιδράσεις τον καταστρέφουν;»
Ο Γκαλίτσκι είπε, «Πράγματι, είναι ένα περίπλοκο ερώτημα που σχετίζεται με τα θεμέλια της στατιστικής μηχανικής και τη βασική έννοια της εργονομίας, όπου τα περισσότερα αλληλεπιδρώντα συστήματα τελικά θερμοποιούνται σε μια καθολική κατάσταση».
«Φανταστείτε για μια στιγμή να ρίχνετε κρύο γάλα σε ζεστό καφέ. Τα σωματίδια στο φλιτζάνι σας, με την πάροδο του χρόνου και μέσω των αλληλεπιδράσεών τους, θα τακτοποιηθούν σε μια ομοιόμορφη, κατάσταση ισορροπίας που δεν είναι ούτε καθαρά ζεστός καφές ή κρύο γάλα. Αυτός ο τύπος συμπεριφοράς - η θερμοποίηση - ήταν αναμενόμενος από όλα τα αλληλεπιδρώντα συστήματα. Δηλαδή, μέχρι πριν από περίπου 16 χρόνια, όταν υποστηρίχθηκε ότι η διαταραχή σε ένα κβαντικό σύστημα θεωρείτο ότι οδηγεί σε εντοπισμό πολλών σωμάτων (MBL).
«Αυτό το φαινόμενο, που αναγνωρίστηκε από το βραβείο Lars Onsager νωρίτερα φέτος, είναι δύσκολο να αποδειχθεί αυστηρά θεωρητικά ή πειραματικά».
Η ομάδα της Weld διαθέτει το εργαλείο, την τεχνολογία και τις γνώσεις για να ρίξει αποτελεσματικά φως στο θέμα. 100,000 εξαιρετικά ψυχρά άτομα λιθίου αιωρούνται σε ένα στάσιμο κύμα φωτός σε αέριο στο εργαστήριό τους. Κάθε άτομο αντιπροσωπεύει έναν κβαντικό ρότορα που οι παλμοί λέιζερ μπορούν να πυροδοτήσουν.
Χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο συντονισμού Feshbach, οι επιστήμονες μπορούν να κρατήσουν τα άτομα κλειστά το ένα από το άλλο ή να τα κάνουν να αναπηδούν το ένα από το άλλο με αυθαίρετα ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Με ένα γύρισμα ενός κουμπιού, οι ερευνητές θα μπορούσαν να κάνουν τα άτομα λιθίου να περάσουν από τον χορό γραμμής στο mosh pit και να καταγράψουν τις συμπεριφορές τους.
Όπως αναμενόταν, όταν τα άτομα δεν μπορούσαν να δουν το ένα το άλλο, μπορούσαν να αντέξουν επαναλαμβανόμενα χτυπήματα από το λέιζερ μέχρι ένα ορισμένο σημείο, οπότε σταμάτησαν να κινούνται στη δυναμικά εντοπισμένη μορφή τους. Ωστόσο, καθώς οι επιστήμονες αύξησαν την αλληλεπίδραση, όχι μόνο εξαφανίστηκε η περιορισμένη κατάσταση, αλλά φαινόταν επίσης ότι το σύστημα απορροφούσε την ενέργεια από τις επαναλαμβανόμενες κλωτσιές, προσομοιώνοντας την κλασική, χαοτική συμπεριφορά.
Ο Weld είπε, «Ωστόσο, ενώ το αλληλεπιδρών διαταραγμένο κβαντικό σύστημα απορροφούσε ενέργεια, το έκανε με πολύ πιο αργό ρυθμό από ότι ένα κλασικό σύστημα».
«Βλέπουμε κάτι που απορροφά ενέργεια, αλλά όχι τόσο καλά όσο ένα κλασικό σύστημα. Και φαίνεται ότι η ενέργεια αυξάνεται κατά προσέγγιση με την τετραγωνική ρίζα του χρόνου αντί γραμμικά με το χρόνο. Έτσι, οι αλληλεπιδράσεις δεν το κάνουν κλασικό. εξακολουθεί να είναι μια περίεργη κβαντική κατάσταση που εμφανίζει ανώμαλη μη εντοπισμό».
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται ηχώ. Σε αυτή τη μέθοδο, η κινητική εξέλιξη εκτελείται προς τα εμπρός και μετά προς τα πίσω για να μετρηθεί ο τρόπος με τον οποίο οι αλληλεπιδράσεις καταστρέφουν άμεσα την αντιστρεψιμότητα του χρόνου. Ένας κρίσιμος δείκτης του κβαντικού χάους είναι η καταστροφή της αναστρεψιμότητας του χρόνου.
Ο συν-συγγραφέας Roshan Sajjad, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής ερευνητής στην ομάδα λιθίου, είπε: "Ένας άλλος τρόπος για να το σκεφτούμε αυτό είναι να ρωτήσουμε: Πόση μνήμη της αρχικής κατάστασης έχει το σύστημα μετά από κάποιο χρονικό διάστημα;"
«Εάν δεν υπάρχουν διαταραχές όπως αδέσποτο φως ή συγκρούσεις αερίου, το σύστημα θα πρέπει να μπορεί να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση εάν η φυσική εκτελείται προς τα πίσω. Στο πείραμά μας, αντιστρέφουμε το χρόνο αντιστρέφοντας τη φάση των λακτισμάτων, «αναιρώντας» τα αποτελέσματα του πρώτου κανονικού σετ λακτισμάτων. Μέρος της γοητείας μας ήταν ότι διαφορετικές θεωρίες είχαν προβλέψει διαφορετικές συμπεριφορές σχετικά με το αποτέλεσμα αυτού του τύπου αλληλεπίδρασης, αλλά κανείς δεν είχε κάνει ποτέ το πείραμα».
Ο κύριος συγγραφέας Alec Cao είπε, «Η πρόχειρη ιδέα του χάους είναι ότι παρόλο που οι νόμοι της κίνησης είναι αναστρέψιμοι στο χρόνο, ένα σύστημα πολλών σωματιδίων μπορεί να είναι τόσο περίπλοκο και ευαίσθητο σε διαταραχές που είναι πρακτικά αδύνατο να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση. Η ανατροπή ήταν ότι σε μια αποτελεσματικά διαταραγμένη (τοπική) κατάσταση, οι αλληλεπιδράσεις έσπασαν κάπως τον εντοπισμό, ακόμη και όταν το σύστημα έχασε την ικανότητά του να αντιστρέφεται χρονικά».
Ο Sajjad είπε, «Αφελώς, θα περίμενες ότι οι αλληλεπιδράσεις θα καταστρέψουν την αντιστροφή του χρόνου, αλλά είδαμε κάτι πιο ενδιαφέρον: Μια μικρή αλληλεπίδραση βοηθά! Αυτό ήταν ένα από τα πιο εκπληκτικά αποτελέσματα αυτής της δουλειάς».
Οι επιστήμονες διεξήγαγαν ένα συμπληρωματικό πείραμα που παρήγαγε παρόμοια αποτελέσματα χρησιμοποιώντας βαρύτερα άτομα σε ένα μονοδιάστατο πλαίσιο.
Ο Γκούπτα είπε, «Τα πειράματα στο UW λειτούργησαν σε ένα πολύ δύσκολο φυσικό καθεστώς με 25 φορές βαρύτερα άτομα περιορισμένα να κινούνται μόνο σε μία διάσταση, αλλά μέτρησαν επίσης ασθενέστερη από τη γραμμική ανάπτυξη ενέργειας από περιοδικά κλωτσιά, ρίχνοντας φως σε μια περιοχή όπου τα θεωρητικά αποτελέσματα έχουν σε σύγκρουση».
Ο Weld είπε, «αυτά τα ευρήματα, όπως πολλά σημαντικά αποτελέσματα της φυσικής, ανοίγουν περισσότερα ερωτήματα και ανοίγουν το δρόμο για περισσότερα πειράματα κβαντικού χάους, όπου ο πολυπόθητος σύνδεσμος μεταξύ κλασικού και κβαντική φυσική μπορεί να αποκαλυφθεί».
Ο Γκαλίτσκι σχολίασε, «Το πείραμα του David είναι η πρώτη προσπάθεια ανίχνευσης μιας δυναμικής έκδοσης του MBL σε ένα πιο ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Αν και δεν έχει επιλύσει ξεκάθαρα το θεμελιώδες ερώτημα με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, τα δεδομένα δείχνουν ότι κάτι περίεργο συμβαίνει».
Συγκόλληση είπε, «Πώς μπορούμε να κατανοήσουμε αυτά τα αποτελέσματα στο πλαίσιο του πολύ μεγάλου όγκου εργασίας για τον εντοπισμό πολλών σωμάτων σε συστήματα συμπυκνωμένης ύλης; Πώς μπορούμε να χαρακτηρίσουμε αυτή την κατάσταση της ύλης; Παρατηρούμε ότι το σύστημα μετατοπίζεται, αλλά όχι με την αναμενόμενη γραμμική χρονική εξάρτηση. τι συμβαίνει εκεί? Ανυπομονούμε για μελλοντικά πειράματα που θα διερευνούν αυτά και άλλα ερωτήματα».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Βλέπε Toh, JH, McCormick, KC, Tang, Χ. et αϊ. Δυναμική μετατόπιση πολλών σωμάτων σε ένα μονοδιάστατο υπερψυχρό αέριο με κλωτσιές. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
