سیستم‌های کوانتومی ضربه‌ای می‌توانند ظهور محلی‌سازی دینامیکی را نشان دهند، که جذب انرژی را محدود می‌کند و باعث شکست ارگودیسیته می‌شود، برخلاف سیستم‌های رانده کلاسیک، که رفتار آشفته و انباشت انرژی انتشاری را نشان می‌دهند. مدتهاست که مشخص نیست که چگونه حالتهای پویا موضعی در هنگام وجود فعل و انفعالات چند بدنی تکامل می یابند.
یک مطالعه جدید توسط فیزیکدانان در دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا و دانشگاه مریلند، و همچنین در دانشگاه واشنگتن، پاسخی به این سوال دیرینه فیزیک پیدا کرده‌اند: برهم‌کنش‌های بین ذرات چگونه بر محلی‌سازی دینامیکی تأثیر می‌گذارند؟
این سوال مربوط به فیزیک "چند جسمی" است که ویژگی های فیزیکی یک سیستم کوانتومی با انواع داده های متعدد را بررسی می کند. بسیاری از مشکلات بدن موضوع تحقیق و بحث برای چندین دهه بوده است. پیچیدگی این سیستم ها در کنار پدیده های کوانتومی مانند برهم نهی و در هم تنیدگی، به طیف وسیعی از احتمالات منجر می شود و پاسخگویی به تنهایی از طریق محاسبه را دشوار می کند.
خوشبختانه این مشکل دور از دسترس آزمایشی که شامل اتم ها و لیزرهای فوق سرد لیتیوم بود، نبود. بنابراین، به گفته دانشمندان، الف حالت کوانتومی عجیب زمانی پدیدار می شود که شما تعامل را در فضایی بی نظم و آشفته معرفی می کنید سیستم کوانتومی.
دیوید ولد (پیوند خارجی است)، فیزیکدان تجربی در UCSB با تخصص در فیزیک اتمی فوق سرد و شبیه سازی کوانتومی گفت: "این حالتی غیرعادی است، با ویژگی هایی که به نوعی بین پیش بینی کلاسیک و پیش بینی کوانتومی غیر متقابل قرار دارد."
وقتی صحبت از رفتارهای عجیب و غریب و غیر شهودی می شود، دنیای کوانتومی ناامید نمی شود. به عنوان مثال، یک آونگ معمولی را در نظر بگیرید، که دقیقاً همانطور که ما انتظار داریم در هنگام قرار گرفتن در معرض پالس های انرژی رفتار می کند.
اگر هر چند وقت یک بار به آن ضربه بزنید و آن را بالا و پایین تکان دهید، یک آونگ کلاسیک به طور مداوم انرژی را جذب می کند، شروع به تکان دادن در سراسر مکان می کند و کل فضای پارامتر را به طور آشفته کاوش می کند.
آشفتگی در سیستم های کوانتومی متفاوت به نظر می رسد. این اختلال می تواند باعث توقف ذرات شود. علاوه بر این، در حالی که یک آونگ کوانتومی ضربه‌خورده یا «روتور» ممکن است در ابتدا انرژی را از ضربات، مشابه پاندول کلاسیک، با ضربات مکرر جذب کند، سیستم جذب انرژی را متوقف می‌کند و توزیع تکانه در حالتی که به عنوان حالت پویا موضعی شناخته می‌شود منجمد می‌شود.
این حالت موضعی تقریباً مشابه رفتار یک جامد الکترونیکی "کثیف" است که در آن اختلال منجر به الکترون های بی حرکت و موضعی می شود. باعث می شود جامد از فلز یا رسانا (الکترون های متحرک) به عایق تبدیل شود.
در حالی که این وضعیت محلی سازی برای دهه ها در زمینه ذرات منفرد و غیر متقابل مورد بررسی قرار گرفته است، در یک سیستم بی نظم با چندین الکترون برهم کنش چه اتفاقی می افتد؟ سوالاتی از این دست و جنبه‌های مربوط به آشوب کوانتومی در ذهن ولد و همکارش، نظریه‌پرداز دانشگاه مریلند، ویکتور گالیتسکی، در طی بحثی چندین سال پیش، زمانی که گالیتسکی از سانتا باربارا بازدید می‌کرد، مشغول بود.
ولد یادآور شد، ویکتور این سوال را مطرح کرد که چه اتفاقی می‌افتد اگر به جای این سیستم کوانتومی خالص بدون تعامل که با تداخل تثبیت می‌شود، شما یک دسته از این روتورها داشته باشید، و همه آنها بتوانند با یکدیگر برخورد کنند و با یکدیگر تعامل داشته باشند و با یکدیگر تعامل داشته باشند. آیا بومی‌سازی ادامه دارد یا تعاملات آن را از بین می‌برد؟»
گالیتسکی گفت: "در واقع، این یک سوال پیچیده است که به مبانی مکانیک آماری و مفهوم اساسی ارگودیسیته مربوط می شود، که به موجب آن اکثر سیستم های تعاملی در نهایت به یک حالت جهانی تبدیل می شوند."
«یک لحظه تصور کنید که شیر سرد را در قهوه داغ بریزید. ذرات موجود در فنجان شما، به مرور زمان و از طریق فعل و انفعالاتشان، خود را به حالت تعادلی یکنواخت و کاملاً یکنواخت می‌رسانند. قهوه داغ یا شیر سرد این نوع رفتار - گرماسازی - از همه سیستم‌های متقابل انتظار می‌رفت. یعنی تا حدود 16 سال پیش که استدلال می‌شد که اختلال در یک سیستم کوانتومی منجر به محلی‌سازی بسیاری از بدن (MBL) می‌شود.
این پدیده که در اوایل سال جاری توسط جایزه لارس اونساگر به رسمیت شناخته شد، از نظر تئوری یا تجربی به سختی قابل اثبات است.
تیم Weld ابزار، فناوری و دانش را برای روشن کردن مؤثر این موضوع در اختیار دارد. 100,000 اتم لیتیوم فوق سرد در یک موج ثابت نور در گاز در آزمایشگاه خود معلق هستند. هر اتم نشان دهنده یک روتور کوانتومی است که پالس های لیزر می توانند جرقه بزنند.
با استفاده از ابزار تشدید فشباخ، دانشمندان می‌توانند اتم‌ها را از یکدیگر پنهان نگه دارند یا با فعل و انفعالات قوی خودسرانه، آنها را از یکدیگر وادار کنند. با چرخاندن یک دستگیره، محققان می‌توانند اتم‌های لیتیوم را از خط رقص به موش پیت تبدیل کنند و رفتارهای آنها را ثبت کنند.
همانطور که پیش‌بینی می‌شد، وقتی اتم‌ها قادر به دیدن یکدیگر نبودند، می‌توانستند در برابر ضربات مکرر لیزر تا نقطه‌ای خاص مقاومت کنند و در آن زمان حرکت به شکل پویا موضعی خود را متوقف کردند. با این حال، همانطور که دانشمندان تعامل را افزایش دادند، نه تنها حالت محدود ناپدید شد، بلکه به نظر می رسید که سیستم انرژی حاصل از ضربات مکرر را جذب می کند و رفتار کلاسیک و آشفته را شبیه سازی می کند.
ولد گفت، با این حال، در حالی که سیستم کوانتومی بی‌نظم تعاملی انرژی را جذب می‌کرد، این کار را با سرعت بسیار کمتری نسبت به یک سیستم کلاسیک انجام می‌داد.
ما چیزی را می بینیم که انرژی را جذب می کند، اما نه به خوبی یک سیستم کلاسیک. و به نظر می رسد که انرژی تقریباً با جذر زمان به جای خطی با زمان در حال رشد است. بنابراین تعاملات آن را کلاسیک نمی کند. این هنوز یک حالت کوانتومی عجیب و غریب است که عدم محلی سازی غیرعادی را نشان می دهد.
دانشمندان از روشی به نام اکو استفاده کردند. در این روش، تکامل جنبشی به جلو و سپس به عقب اجرا می‌شود تا نحوه برهم‌کنش‌ها به طور مستقیم برگشت‌پذیری زمان را از بین ببرد. یکی از شاخص های مهم آشوب کوانتومی، تخریب برگشت پذیری زمان است.
یکی از نویسندگان روشن سجاد، محقق دانشجوی کارشناسی ارشد در تیم لیتیوم، گفت: یک راه دیگر برای اندیشیدن در این مورد این است که بپرسید: پس از مدتی سیستم چقدر حافظه از حالت اولیه دارد؟
در غیاب هر گونه آشفتگی مانند نور سرگردان یا برخورد گاز، اگر فیزیک به عقب اجرا شود، سیستم باید بتواند به حالت اولیه خود بازگردد. در آزمایش خود، با معکوس کردن فاز ضربات، زمان را معکوس می‌کنیم، و اثرات اولین مجموعه نرمال ضربات را «لغو» می‌کنیم. بخشی از جذابیت ما این بود که تئوری‌های مختلف رفتارهای متفاوتی را در نتیجه این نوع تنظیم تعاملی پیش‌بینی کرده بودند، اما هیچ‌کس این آزمایش را انجام نداده بود.»
نویسنده اصلی الک کائو گفت: «ایده تقریبی آشوب این است که با وجود اینکه قوانین حرکت قابل بازگشت به زمان هستند، یک سیستم چند ذره ای می تواند آنقدر پیچیده و حساس به آشفتگی هایی باشد که بازگشت به حالت اولیه عملاً غیرممکن است. پیچ و تاب این بود که در یک وضعیت به طور موثر بی نظم (محلی)، تعاملات تا حدودی محلی سازی را شکست، حتی با از دست دادن سیستم ظرفیت خود را برای معکوس شدن در زمان."
سجاد گفت ساده لوحانه، شما انتظار دارید که تعاملات زمان معکوس را خراب کنند، اما ما چیز جالب‌تری دیدیم: کمی تعامل کمک می‌کند! این یکی از نتایج شگفت‌انگیزتر این کار بود.»
دانشمندان یک آزمایش تکمیلی انجام دادند که نتایج مشابهی را با استفاده از اتم‌های سنگین‌تر در یک زمینه تک‌بعدی ایجاد کرد.
گوپتا گفت، آزمایش‌ها در UW در یک رژیم فیزیکی بسیار دشوار با اتم‌های 25 برابر سنگین‌تر انجام شد که فقط در یک بعد حرکت می‌کردند، در عین حال رشد انرژی ضعیف‌تر از خطی را از ضربه‌های دوره‌ای اندازه‌گیری کردند، و بر ناحیه‌ای که نتایج نظری آن را نشان می‌دهد، نور می‌افکند. در تضاد است.»
ولد گفت، «این یافته‌ها، مانند بسیاری از نتایج مهم فیزیک، سؤالات بیشتری را باز می‌کنند و راه را برای آزمایش‌های آشوب کوانتومی بیشتر هموار می‌کنند، جایی که پیوند مطلوب بین کلاسیک و فیزیک کوانتوم ممکن است کشف شود.»
گالیتسکی نظر داد، آزمایش دیوید اولین تلاش برای بررسی یک نسخه دینامیکی از MBL در یک محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده‌تر است. در حالی که به طور واضح این سوال اساسی را به طریقی حل نکرده است، داده ها نشان می دهد که چیز عجیبی در حال وقوع است."
جوش گفت:, «چگونه می‌توانیم این نتایج را در زمینه کار بسیار بزرگ در مورد محلی‌سازی چند جسم در سیستم‌های ماده متراکم درک کنیم؟ چگونه می توانیم این حالت ماده را توصیف کنیم؟ مشاهده می‌کنیم که سیستم در حال تغییر مکان است، اما نه با وابستگی زمانی خطی مورد انتظار. اونجا چه خبره؟ ما مشتاقانه منتظر آزمایش های آینده برای بررسی این سؤالات و سؤالات دیگر هستیم.»
مرجع مجله:
- نگاه کنید به Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. جابجایی دینامیکی چند بدنه در یک گاز فوق سرد تک بعدی. نات. فیزیک. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
