Potkitut kvanttijärjestelmät voivat osoittaa dynaamisen lokalisoinnin syntymistä, mikä rajoittaa energian imeytymistä ja aiheuttaa ergodisuuden hajoamisen, toisin kuin klassisissa ohjattavissa järjestelmissä, joissa on kaoottista käyttäytymistä ja diffuusiota energian kertymistä. On pitkään ollut epäselvää, kuinka dynaamisesti lokalisoidut tilat kehittyvät, kun on olemassa monen kehon vuorovaikutusta.
Fyysikkojen uusi tutkimus osoitteessa UC Santa Barbara ja Marylandin yliopisto ja myös Washingtonin yliopisto ovat löytäneet vastauksen pitkään jatkuneeseen fysiikan kysymykseen: Kuinka hiukkasten välinen vuorovaikutus vaikuttaa dynaamiseen lokalisointiin?
Kysymys koskee "monen kappaleen" fysiikkaa, joka tutkii kvanttijärjestelmän fysikaalisia ominaisuuksia lukuisilla tietotyypeillä. Monen kehon ongelmat ovat olleet tutkimuksen ja keskustelun aiheena vuosikymmeniä. Näiden järjestelmien monimutkaisuus sekä kvanttiilmiöt, kuten päällekkäisyys ja kietoutuminen, johtaa laajaan valikoimaan mahdollisuuksia, mikä vaikeuttaa vastaamista pelkällä laskennalla.
Onneksi tämä ongelma ei ollut ultrakylmiä litiumatomeja ja lasereita käyttävän kokeen ulottumattomissa. Joten tutkijoiden mukaan a outo kvanttitila tulee esiin, kun otat vuorovaikutuksen käyttöön epäjärjestyneessä, kaoottisessa kvanttijärjestelmä.
David Weld (link is external) on UCSB:n kokeellinen fyysikko, joka on erikoistunut ultrakylmään atomifysiikkaan ja kvanttisimulaatioon, sanoi: "Se on tila, joka on epänormaali ja jolla on ominaisuuksia, jotka ovat jossain mielessä klassisen ennusteen ja ei-vuorovaikutteisen kvanttiennusteen välissä."
”Kun kyse on oudosta, intuitiivisesta käytöksestä, kvanttimaailma ei petä. Otetaan esimerkiksi tavallinen heiluri, joka käyttäytyisi juuri niin kuin odotamme sen toimivan energiapulssien alaisena."
"Jos potkaiset sitä ja ravistelet sitä välillä ylös ja alas, klassinen heiluri imee jatkuvasti energiaa, alkaa heilua kaikkialla ja tutkia koko parametriavaruutta kaoottisesti."
Kvanttijärjestelmien kaaos näyttää erilaiselta. Häiriö voi aiheuttaa hiukkasten eräänlaisen pysähtymisen. Lisäksi vaikka potkutettu kvanttiheiluri tai "roottori" voi aluksi absorboida energiaa potkuista, kuten klassinen heiluri, toistuvilla potkuilla, järjestelmä lakkaa absorboimasta energiaa ja liikemäärän jakautuminen jäätyy niin kutsuttuun dynaamisesti lokalisoituun tilaan.
Tämä paikallinen tila on läheisesti analoginen "likaisen" elektronisen kiinteän aineen käyttäytymisen kanssa, jossa häiriö johtaa liikkumattomiin, paikallisiin elektroneihin. Se saa kiinteän aineen siirtymään metallista tai johtimesta (liikkuvat elektronit) eristeeksi.
Vaikka tätä lokalisaatiotilaa on tutkittu vuosikymmeniä yksittäisten, vuorovaikuttamattomien hiukkasten yhteydessä, mitä tapahtuu epäjärjestyneessä järjestelmässä, jossa on useita vuorovaikutuksessa olevia elektroneja? Tämänkaltaiset kysymykset ja kvanttikaaoksen niihin liittyvät näkökohdat pyörivät Weldin ja hänen kirjoittajansa, Marylandin yliopiston teoreetikon Victor Galitskin mielessä keskustelun aikana useita vuosia sitten, kun Galitski vieraili Santa Barbarassa.
Weld muistutti, "Victor esitti kysymyksen siitä, mitä tapahtuu, jos tämän puhtaan vuorovaikutteisen häiriön stabiloiman kvanttijärjestelmän sijaan sinulla on joukko näitä roottoreita, ja ne voivat kaikki törmätä toisiinsa ja olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Jatkuuko lokalisointi vai tuhoavatko vuorovaikutukset sen?"
Galitski sanoi, "Se on todellakin monimutkainen kysymys, joka liittyy tilastollisen mekaniikan perusteisiin ja ergodisuuden peruskäsitteeseen, jolloin useimmat vuorovaikutuksessa olevat järjestelmät termistyvät lopulta universaaliin tilaan."
”Kuvittele hetkeksi kaatavasi kylmää maitoa kuumaan kahviin. Kupissasi olevat hiukkaset järjestäytyvät ajan myötä ja vuorovaikutuksensa kautta yhtenäiseen tasapainotilaan, joka ei ole pelkästään kuuma kahvi tai kylmää maitoa. Tämän tyyppistä käyttäytymistä - lämpökäsittelyä - odotettiin kaikilta vuorovaikutuksessa olevilta järjestelmiltä. Eli noin 16 vuotta sitten, jolloin väitettiin, että kvanttijärjestelmän häiriön uskottiin johtavan monikehojen lokalisaatioon (MBL).
"Tätä ilmiötä, jonka Lars Onsager -palkinto tunnusti aiemmin tänä vuonna, on vaikea todistaa teoreettisesti tai kokeellisesti tiukasti."
Weldin tiimillä on työkalut, tekniikka ja tieto asian tehokkaaseen valaisemiseen. 100,000 XNUMX erittäin kylmää litiumatomia on suspendoituneena seisovan valon aaltoon kaasussa heidän laboratoriossaan. Jokainen atomi edustaa kvanttiroottoria, jonka laserpulssit voivat kipinöidä.
Käyttämällä Feshbach-resonanssityökalua tutkijat voivat pitää atomit peitettyinä toisistaan tai saada ne pomppimaan toisistaan mielivaltaisen voimakkailla vuorovaikutuksilla. Nuppia kääntämällä tutkijat saattoivat saada litiumatomit siirtymään linjatanssista mosh pitiin ja vangita niiden käyttäytymisen.
Kuten odotettiin, kun atomit eivät kyenneet näkemään toisiaan, ne kestivät laserin toistuvia potkuja tiettyyn pisteeseen asti, jolloin ne lakkasivat liikkumasta dynaamisesti lokalisoidussa muodossaan. Kuitenkin, kun tutkijat lisäsivät vuorovaikutusta, suljettu tila ei katoanut, vaan näytti myös siltä, että järjestelmä imee energiaa toistuvista potkuista, simuloiden klassista, kaoottista käyttäytymistä.
Weld sanoi, "Vaikka vuorovaikutuksessa oleva epäjärjestynyt kvanttijärjestelmä kuitenkin absorboi energiaa, se teki sen paljon hitaammin kuin klassinen järjestelmä."
"Näemme jotain, joka imee energiaa, mutta ei niin hyvin kuin klassinen järjestelmä voi. Ja näyttää siltä, että energia kasvaa karkeasti ajan neliöjuurella eikä lineaarisesti ajan kanssa. Joten vuorovaikutukset eivät tee siitä klassista; se on edelleen outo kvanttitila, joka osoittaa poikkeavaa lokalisoimattomuutta."
Tutkijat käyttivät menetelmää nimeltä kaiku. Tässä menetelmässä kineettistä kehitystä ajetaan eteenpäin ja sitten taaksepäin mittaamaan, kuinka vuorovaikutukset tuhoavat ajan palautuvuuden suoraan. Yksi kvanttikaaoksen ratkaiseva indikaattori on ajan palautuvuuden tuhoutuminen.
Toinen kirjoittaja Roshan Sajjad, litiumtiimin jatko-opiskelijatutkija, sanoi: "Toinen tapa ajatella tätä on kysyä: Kuinka paljon muistia järjestelmällä on alkutilasta jonkin ajan kuluttua?"
"Ellei häiriöitä, kuten hajavaloa tai kaasutörmäyksiä, ole, järjestelmän pitäisi pystyä palaamaan alkuperäiseen tilaan, jos fysiikka ajetaan taaksepäin. Kokeessamme käännämme aikaa kääntämällä potkujen vaihetta, "kumoamalla" ensimmäisen normaalin potkusarjan vaikutukset. Osa kiehtoomme oli se, että erilaiset teoriat olivat ennustaneet erilaisia käyttäytymismalleja tämän tyyppisen vuorovaikutteisen järjestelyn tulokselle, mutta kukaan ei ollut koskaan tehnyt kokeilua."
Pääkirjailija Alec Cao sanoi, ”Kaaoksen karkea ajatus on, että vaikka liikelait ovat ajallisesti palautuvia, monihiukkasjärjestelmä voi olla niin monimutkainen ja herkkä häiriöille, joita on käytännössä mahdotonta palauttaa alkuperäiseen tilaan. Käänteenä oli, että tehokkaasti epäjärjestyneessä (lokalisoidussa) tilassa vuorovaikutus rikkoi lokalisoinnin jonkin verran, vaikka järjestelmä menetti kykynsä olla ajan käänteinen.
Sajjad sanoi, "Naiivisti voisi odottaa vuorovaikutuksen pilaavan ajan käännöksen, mutta näimme jotain mielenkiintoisempaa: pieni vuorovaikutus auttaa! Tämä oli yksi tämän työn yllättävistä tuloksista."
Tutkijat suorittivat täydentävän kokeen, joka tuotti samanlaisia tuloksia käyttämällä raskaampia atomeja yksiulotteisessa kontekstissa.
Gupta sanoi, "UW:n kokeet toimivat erittäin vaikeassa fysikaalisessa järjestelmässä, jossa 25 kertaa raskaammat atomit rajoittivat liikkumaan vain yhdessä ulottuvuudessa, mutta mittasivat myös lineaarista heikompaa energian kasvua jaksoittaisesta potkimisesta, mikä valaisi aluetta, jolla teoreettiset tulokset ovat ristiriitainen."
Weld sanoi, "Nämä havainnot, kuten monet tärkeät fysiikan tulokset, avaavat lisää kysymyksiä ja tasoittavat tietä uusille kvanttikaaoskokeille, joissa haluttu linkki klassisen ja kvanttifysiikkaa saattaa paljastua."
Galitski kommentoi, "Davidin koe on ensimmäinen yritys tutkia MBL:n dynaamista versiota kontrolloidussa laboratorioympäristössä. Vaikka se ei ole yksiselitteisesti ratkaissut peruskysymystä tavalla tai toisella, tiedot osoittavat, että jotain outoa on meneillään."
Hitsaa sanoi, "Kuinka voimme ymmärtää nämä tulokset, kun otetaan huomioon erittäin laaja työ monen kappaleen lokalisoimiseksi kondensoituneiden aineiden järjestelmissä? Kuinka voimme luonnehtia tätä aineen tilaa? Havaitsemme, että järjestelmä on siirtymässä, mutta ei odotetulla lineaarisella aikariippuvuudella; mitä siellä tapahtuu? Odotamme innolla tulevia kokeita, joissa tutkitaan näitä ja muita kysymyksiä."
Lehden viite:
- Katso Toh, J.H., McCormick, K.C., Tang, X. et ai. Monen kehon dynaaminen siirtäminen potkitussa yksiulotteisessa ultrakylmässä kaasussa. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
