Löögitud kvantsüsteemid võivad näidata dünaamilise lokaliseerimise tekkimist, mis piirab energia neeldumist ja põhjustab ergoodilisuse lagunemist, erinevalt klassikalistest juhitavatest süsteemidest, mis näitavad kaootilist käitumist ja hajuvat energia akumuleerumist. Pikka aega on olnud ebaselge, kuidas dünaamiliselt lokaliseeritud olekud arenevad, kui eksisteerivad paljude kehade vastasmõjud.
Füüsikute uus uuring aadressil UC Santa Barbara ja Marylandi Ülikool ning ka Washingtoni Ülikool on leidnud vastuse kauaaegsele füüsikaküsimusele: kuidas mõjutavad osakestevahelised interaktsioonid dünaamilist lokaliseerimist?
Küsimus puudutab "mitmekehade" füüsikat, mis uurib arvukate andmetüüpidega kvantsüsteemi füüsikalisi omadusi. Paljud kehaprobleemid on olnud uurimise ja arutelu objektiks aastakümneid. Nende süsteemide keerukus koos kvantnähtustega nagu kihilisus ja takerdumine, toob kaasa tohutu hulga võimalusi, mistõttu on raske vastata ainult arvutamise teel.
Õnneks ei olnud see probleem ülikülma liitiumi aatomeid ja lasereid hõlmava katse jaoks jõukohane. Nii et teadlaste sõnul on a kummaline kvantseisund ilmneb, kui tutvustate suhtlemist korrastamata, kaootiliselt kvantsüsteem.
David Weld (link is external), UCSB eksperimentaalfüüsik, kes on spetsialiseerunud ülikülma aatomifüüsikale ja kvantsimulatsioonile, ütles: "See on seisund, mis on anomaalne ja mille omadused jäävad mõnes mõttes klassikalise ennustuse ja mitteinterakteeruva kvantennustuse vahele."
"Kui rääkida kummalisest, intuitiivsest käitumisest, siis kvantmaailm ei valmista pettumust. Võtame näiteks tavalise pendli, mis energiaimpulsside mõjul käituks täpselt nii, nagu me seda ootame.
"Kui lööte seda aeg-ajalt üles-alla, neelab klassikaline pendel pidevalt energiat, hakkab kõikjal võnkuma ja uurib kaootiliselt kogu parameetriruumi."
Kvantsüsteemide kaos tundub teistsugune. Häire võib põhjustada osakeste seiskumise. Lisaks, kuigi löödud kvantpendel või "rootor" võib algselt neelata löökidest energiat, sarnaselt klassikalisele pendlile, korduvate löökide korral lõpetab süsteem energia neelamise ja impulsi jaotus hangub nn dünaamiliselt lokaliseeritud olekus.
See lokaliseeritud olek on täpselt analoogne "määrdunud" elektroonilise tahke aine käitumisega, mille korral häire tulemuseks on liikumatud lokaliseeritud elektronid. See põhjustab tahke aine ülemineku metallist või juhist (liikuvad elektronid) isolaatoriks.
Kuigi seda lokalisatsiooniseisundit on uuritud aastakümneid üksikute mitteinterakteeruvate osakeste kontekstis, mis juhtub mitme interakteeruva elektroniga korrastamata süsteemis? Sellised küsimused ja sellega seotud kvantkaose aspektid olid Weldi ja tema kaasautori, Marylandi ülikooli teoreetiku Victor Galitski peas mitu aastat tagasi toimunud arutelu ajal, mil Galitski külastas Santa Barbarat.
Weld tuletas meelde, „Victor tõstatas küsimuse, mis saab siis, kui selle puhta interakteeruva häiretega stabiliseeritava kvantsüsteemi asemel on hunnik neid rootoreid ja need võivad kõik kokku põrkuda, üksteisega suhelda ja suhelda. Kas lokaliseerimine püsib või hävitavad koostoimed selle?"
Galitski ütles: "Tõepoolest, see on keeruline küsimus, mis on seotud statistilise mehaanika aluste ja ergoodilisuse põhimõistega, mille puhul enamik interakteeruvaid süsteeme termiliseeruvad lõpuks universaalsesse olekusse."
«Kujutage korraks ette, kuidas valate kuuma kohvi sisse külma piima. Osakesed teie tassis paiknevad aja jooksul ja oma vastasmõju kaudu ühtsesse tasakaaluolekusse, mis ei ole puhtalt kuum kohv või külma piima. Seda tüüpi käitumist - termiseerimist - oodati kõigilt koostoimivatel süsteemidel. See tähendab kuni umbes 16 aastat tagasi, mil väideti, et kvantsüsteemi häire põhjustas paljude kehade lokaliseerimise (MBL).
"Seda nähtust, mida selle aasta alguses tunnustas Lars Onsageri auhind, on raske teoreetiliselt või eksperimentaalselt rangelt tõestada."
Weldi meeskonnal on tööriist, tehnoloogia ja teadmised asja tõhusaks valgustamiseks. 100,000 XNUMX ülikülma liitiumi aatomit suspendeeritakse nende laboris seisvas valguslaines gaasis. Iga aatom kujutab endast kvantrootorit, mida laserimpulsid võivad tekitada.
Feshbachi resonantstööriista kasutades saavad teadlased hoida aatomeid üksteisest varjatuna või panna need üksteisest eemale põrgatama meelevaldselt tugeva interaktsiooniga. Nupu keeramisega saaksid teadlased panna liitiumi aatomid liikuma line dance'ist mosh pit'i ja jäädvustada nende käitumist.
Ootuspäraselt, kui aatomid ei näinud üksteist, suutsid nad vastu pidada korduvatele laserlöökidele kuni teatud hetkeni, mil nad lakkasid oma dünaamiliselt lokaliseeritud kujul liikumisest. Kuid kuna teadlased suurendasid koostoimet, ei kadunud mitte ainult suletud olek, vaid tundus ka, et süsteem neelas korduvatest löökidest energiat, simuleerides klassikalist kaootilist käitumist.
Weld ütles, "Kuid interakteeruv korratu kvantsüsteem neelas energiat, tegi see seda palju aeglasemalt kui klassikaline süsteem."
"Me näeme midagi, mis neelab energiat, kuid mitte nii hästi, kui klassikaline süsteem seda suudab. Ja tundub, et energia kasvab ligikaudu aja ruutjuurega, mitte lineaarselt ajaga. Nii et koostoimed ei muuda seda klassikaliseks; see on ikka veider kvantseisund, mis näitab ebanormaalset lokaliseerumist.
Teadlased kasutasid meetodit nimega kaja. Selle meetodi puhul juhitakse kineetilist evolutsiooni edasi ja seejärel tagasi, et mõõta, kuidas interaktsioonid hävitavad otseselt aja pöörduvust. Üks kvantkaose oluline näitaja on aja pöörduvuse hävimine.
Kaasautor Roshan Sajjad, liitiumirühma kraadiõppurite teadur, ütles: "Teine viis selle üle mõelda on küsida: kui palju mälu on süsteemil mõne aja pärast algolekust?"
"Mis tahes häirete, nagu hajutatud valguse või gaasi kokkupõrked, puudumisel peaks süsteem suutma naasta algolekusse, kui füüsikat tagurpidi käivitada. Eksperimendis pöörame aega tagasi, muutes löökide faasi, tühistades esimese normaalse löökide komplekti mõju. Osa meie vaimustusest oli see, et erinevad teooriad olid seda tüüpi interakteeruva seadistuse tulemusel ennustanud erinevat käitumist, kuid keegi polnud seda katset kunagi teinud.
Juhtautor Alec Cao ütles, "Kaose umbkaudne idee seisneb selles, et kuigi liikumisseadused on ajaliselt pöörduvad, võib paljudest osakestest koosnev süsteem olla nii keeruline ja tundlik häirete suhtes, mille algolekusse tagasipöördumine on praktiliselt võimatu. Pööre seisnes selles, et tõhusalt korrastamata (lokaliseeritud) olekus rikkusid interaktsioonid lokaliseerimist mõnevõrra isegi siis, kui süsteem kaotas oma võime aja ümber pöörata.
Sajjad ütles: „Naiivselt võiks eeldada, et interaktsioonid rikuvad aja ümberpööramise, kuid nägime midagi huvitavamat: väike suhtlus aitab! See oli selle töö üks üllatavamaid tulemusi.
Teadlased viisid läbi täiendava katse, mis andis sarnaseid tulemusi, kasutades ühemõõtmelises kontekstis raskemaid aatomeid.
Gupta ütles: "UW katsed toimisid väga keerulises füüsilises režiimis, kus 25 korda raskemad aatomid olid piiratud liikumiseks ainult ühes dimensioonis, kuid samas mõõdeti ka lineaarsest nõrgemat energiakasvu perioodilisest löömisest, andes valgust valdkonnale, kus teoreetilised tulemused on näidanud. vastuoluline."
Weld ütles, "Need leiud, nagu paljud olulised füüsikatulemused, avavad rohkem küsimusi ja sillutavad teed rohkematele kvantkaosekatsetele, kus ihaldatud seos klassikalise ja kvantfüüsika võib paljastada."
Galitski kommenteeris "Davidi eksperiment on esimene katse uurida MBL dünaamilist versiooni rohkem kontrollitud laboritingimustes. Kuigi see ei ole ühel või teisel viisil põhiküsimust üheselt lahendanud, näitavad andmed, et toimub midagi kummalist.
Keevitada ütles, "Kuidas me saame neid tulemusi mõista kondenseerunud ainesüsteemides paljude kehade lokaliseerimisega seotud väga suure töö kontekstis? Kuidas me saame seda aine olekut iseloomustada? Me täheldame, et süsteem liigub ümber, kuid mitte eeldatava lineaarse aja sõltuvusega; mis seal toimub? Ootame tulevasi katseid nende ja muude küsimuste uurimiseks.
Ajakirja viide:
- Vt Toh, J. H., McCormick, K. C., Tang, X. et al. Paljude kehade dünaamiline ümberpaigutamine ühemõõtmelises ülikülmas gaasis. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
