Los sistemas cuánticos pateados pueden mostrar la aparición de una localización dinámica, que restringe la absorción de energía y provoca la ruptura de la ergodicidad, en contraste con los sistemas impulsados clásicos, que muestran un comportamiento caótico y una acumulación de energía difusiva. Durante mucho tiempo no está claro cómo evolucionan los estados dinámicamente localizados cuando existen interacciones de muchos cuerpos.
Un nuevo estudio realizado por físicos de UC Santa Barbara y la Universidad de Maryland, y también la Universidad de Washington, han encontrado una respuesta a la antigua pregunta de la física: ¿Cómo afectan las interacciones entre partículas a la localización dinámica?
La pregunta pertenece a la física de “muchos cuerpos”, que explora las características físicas de un sistema cuántico con numerosos tipos de datos. Los problemas de muchos cuerpos han sido objeto de investigación y discusión durante décadas. La complejidad de estos sistemas, junto con fenómenos cuánticos como superposición y enredo, conduce a una amplia gama de posibilidades, lo que dificulta responder únicamente mediante cálculos.
Afortunadamente, este problema no estaba fuera del alcance de un experimento que involucró láseres y átomos de litio ultrafríos. Entonces, según los científicos, un extraño estado cuántico Surge cuando introduces la interacción en un entorno desordenado y caótico. sistema cuántico.
David Weld(link is external), físico experimental de la UCSB con especialidad en física atómica ultrafría y simulación cuántica, dijo: "Es un estado anómalo, con propiedades que en cierto sentido se encuentran entre la predicción clásica y la predicción cuántica sin interacción".
“Cuando se trata de comportamientos extraños y contrarios a la intuición, el mundo cuántico no decepciona. Tomemos, por ejemplo, un péndulo normal, que se comportaría exactamente como esperamos cuando se lo someta a pulsos de energía”.
"Si lo pateas y lo sacudes hacia arriba y hacia abajo de vez en cuando, un péndulo clásico absorberá energía continuamente, comenzará a moverse por todos lados y explorará todo el espacio de parámetros caóticamente".
El caos en los sistemas cuánticos parece diferente. El desorden puede hacer que las partículas se detengan. Además, si bien un péndulo cuántico o “rotor” impulsado puede inicialmente absorber energía de los impulsos, de manera similar a un péndulo clásico, con impulsos repetidos, el sistema deja de absorber energía y la distribución del impulso se congela en lo que se conoce como un estado dinámicamente localizado.
Este estado localizado es muy análogo al comportamiento de un sólido electrónico "sucio", en el que el desorden da como resultado electrones localizados e inmóviles. Hace que un sólido pase de ser un metal o un conductor (electrones en movimiento) a un aislante.
Si bien este estado de localización se ha explorado durante décadas en el contexto de partículas individuales que no interactúan, ¿qué sucede en un sistema desordenado con múltiples electrones que interactúan? Preguntas como ésta y aspectos relacionados del caos cuántico estaban en la mente de Weld y su coautor, el teórico de la Universidad de Maryland Victor Galitski, durante una discusión hace varios años cuando Galitski estaba de visita en Santa Bárbara.
Soldadura recordó, “Víctor planteó la pregunta de qué sucedería si, en lugar de este sistema cuántico puro que no interactúa y se estabiliza mediante interferencia, tienes un montón de estos rotores y todos pueden chocar e interactuar entre sí. ¿Persiste la localización o las interacciones la destruyen?
Galitski dijo: "De hecho, es una cuestión complicada que se relaciona con los fundamentos de la mecánica estadística y la noción básica de ergodicidad, según la cual la mayoría de los sistemas que interactúan eventualmente se termalizan en un estado universal".
“Imagínese por un momento vertiendo leche fría en café caliente. Las partículas en su taza, con el tiempo y a través de sus interacciones, se organizarán en un estado de equilibrio uniforme que no es puramente café caliente o leche fría. Este tipo de comportamiento (termalización) se esperaba de todos los sistemas que interactúan. Es decir, hasta hace unos 16 años, cuando se argumentó que se pensaba que el desorden en un sistema cuántico daba como resultado la localización de muchos cuerpos (MBL)”.
"Este fenómeno, reconocido con el Premio Lars Onsager a principios de este año, es difícil de demostrar teórica o experimentalmente con rigor".
El equipo de Weld tiene la herramienta, la tecnología y el conocimiento para arrojar luz sobre el asunto de manera efectiva. En su laboratorio, 100,000 átomos de litio ultrafríos están suspendidos en una onda estacionaria de luz en un gas. Cada átomo representa un rotor cuántico que los pulsos láser pueden encender.
Utilizando una herramienta de resonancia de Feshbach, los científicos pueden mantener los átomos ocultos entre sí o hacer que reboten entre sí con interacciones arbitrariamente fuertes. Con solo girar una perilla, los investigadores podrían hacer que los átomos de litio pasaran del baile en línea al mosh pit y capturaran sus comportamientos.
Como se anticipó, cuando los átomos no podían verse entre sí, pudieron resistir repetidos golpes del láser hasta cierto punto, momento en el cual dejaron de moverse en su forma dinámicamente localizada. Sin embargo, a medida que los científicos aumentaron la interacción, no sólo desapareció el estado confinado, sino que también parecía que el sistema estaba absorbiendo la energía de las patadas repetidas, simulando un comportamiento caótico clásico.
Soldar dijo, "Sin embargo, mientras el sistema cuántico desordenado que interactuaba absorbía energía, lo hacía a un ritmo mucho más lento que el de un sistema clásico".
“Estamos viendo algo que absorbe energía, pero no tan bien como lo hace un sistema clásico. Y parece que la energía crece aproximadamente con la raíz cuadrada del tiempo en lugar de hacerlo linealmente con el tiempo. Entonces las interacciones no lo hacen clásico; sigue siendo un estado cuántico extraño que muestra una no localización anómala”.
Los científicos utilizaron un método llamado eco. En este método, la evolución cinética se ejecuta hacia adelante y luego hacia atrás para medir cómo las interacciones destruyen directamente la reversibilidad del tiempo. Un indicador crucial del caos cuántico es la destrucción de la reversibilidad del tiempo.
El coautor Roshan Sajjad, estudiante de posgrado investigador del equipo de litio, dijo: "Otra forma de pensar en esto es preguntar: ¿Cuánta memoria del estado inicial tiene el sistema después de un tiempo?"
“En ausencia de perturbaciones como luces dispersas o colisiones de gases, el sistema debería poder volver a su estado inicial si la física se retrocede. En nuestro experimento, invertimos el tiempo invirtiendo la fase de las patadas, "deshaciendo" los efectos de la primera serie normal de patadas. Parte de nuestra fascinación era que diferentes teorías habían predicho diferentes comportamientos sobre el resultado de este tipo de configuración de interacción, pero nadie había realizado nunca el experimento”.
El autor principal, Alec Cao, dijo: “La idea aproximada del caos es que, aunque las leyes del movimiento son reversibles en el tiempo, un sistema de muchas partículas puede ser tan complicado y sensible a las perturbaciones que es prácticamente imposible volver a su estado inicial. El giro fue que en un estado efectivamente desordenado (localizado), las interacciones rompieron la localización de alguna manera incluso cuando el sistema perdió su capacidad de revertirse en el tiempo”.
Sajjad dijo, “Ingenuamente, uno esperaría que las interacciones arruinaran la inversión del tiempo, pero vimos algo más interesante: ¡un poco de interacción ayuda! Este fue uno de los resultados más sorprendentes de este trabajo”.
Los científicos realizaron un experimento complementario que produjo resultados similares utilizando átomos más pesados en un contexto unidimensional.
Gupta dijo, “Los experimentos en la Universidad de Washington operaron en un régimen físico muy difícil con átomos 25 veces más pesados restringidos a moverse en una sola dimensión, pero también midieron un crecimiento de energía más débil que el lineal a partir de patadas periódicas, arrojando luz sobre un área donde los resultados teóricos han en conflicto”.
Soldar dijo, “Estos hallazgos, como muchos resultados importantes de la física, abren más preguntas y allanan el camino para más experimentos de caos cuántico, donde el codiciado vínculo entre clásico y la física cuántica puede ser descubierto”.
Galitski comentó: “El experimento de David es el primer intento de probar una versión dinámica de MBL en un entorno de laboratorio más controlado. Si bien no ha resuelto de manera inequívoca la cuestión fundamental de una manera u otra, los datos muestran que algo extraño está sucediendo”.
Soldar dijo, “¿Cómo podemos entender estos resultados en el contexto del gran volumen de trabajo sobre la localización de muchos cuerpos en sistemas de materia condensada? ¿Cómo podemos caracterizar este estado de la materia? Observamos que el sistema se está deslocalizando, pero no con la dependencia temporal lineal esperada; ¿que esta pasando ahí? Esperamos futuros experimentos que exploren estas y otras preguntas”.
Referencia de la revista:
- Véase Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Deslocalización dinámica de muchos cuerpos en un gas ultrafrío unidimensional impulsado. Nat. fisio. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
