Les systèmes quantiques kickés peuvent afficher l'émergence d'une localisation dynamique, qui limite l'absorption d'énergie et provoque la rupture de l'ergodicité, contrairement aux systèmes pilotés classiques, qui affichent un comportement chaotique et une accumulation d'énergie diffusive. On ignore depuis longtemps comment les états dynamiquement localisés évoluent lorsqu'il existe des interactions à plusieurs corps.
Une nouvelle étude des physiciens de UC Santa Barbara et l'Université du Maryland, ainsi qu'à l'Université de Washington, ont trouvé une réponse à la question physique de longue date : comment les interactions interparticulaires affectent-elles la localisation dynamique ?
La question porte sur la physique « à plusieurs corps », qui explore les caractéristiques physiques d'un système quantique avec de nombreux types de données. Les problèmes à plusieurs corps font l'objet de recherches et de discussions depuis des décennies. La complexité de ces systèmes, ainsi que des phénomènes quantiques comme superposition ainsi que enchevêtrement, conduit à une vaste gamme de possibilités, ce qui rend difficile de répondre par le calcul seul.
Heureusement, ce problème n'était pas hors de portée d'une expérience impliquant des atomes de lithium ultra-froids et des lasers. Ainsi, selon les scientifiques, un état quantique étrange émerge lorsque vous introduisez une interaction dans un environnement désordonné et chaotique. système quantique.
David Weld(link is external), physicien expérimental à l'UCSB avec des spécialités en physique atomique ultra-froide et en simulation quantique, a déclaré : "C'est un état anormal, avec des propriétés qui, dans un certain sens, se situent entre la prédiction classique et la prédiction quantique sans interaction."
"En ce qui concerne les comportements étranges et contre-intuitifs, le monde quantique ne déçoit pas. Prenez, par exemple, un pendule ordinaire, qui se comporterait exactement comme nous l'attendons lorsqu'il est soumis à des impulsions d'énergie.
"Si vous lui donnez un coup de pied et le secouez de haut en bas de temps en temps, un pendule classique absorbera continuellement de l'énergie, commencera à se tortiller partout et explorera de manière chaotique tout l'espace des paramètres."
Le chaos dans les systèmes quantiques semble différent. Le trouble peut provoquer une sorte d'arrêt des particules. De plus, alors qu'un pendule quantique ou "rotor" à coups de pied peut initialement absorber l'énergie des coups de pied, comme un pendule classique, avec des coups de pied répétés, le système cesse d'absorber de l'énergie et la distribution de l'impulsion se fige dans ce que l'on appelle un état localisé dynamiquement.
Cet état localisé est étroitement analogue au comportement d'un solide électronique "sale", dans lequel le désordre se traduit par des électrons immobiles et localisés. Il fait passer un solide d'un métal ou d'un conducteur (électrons en mouvement) à un isolant.
Alors que cet état de localisation a été exploré pendant des décennies dans le contexte de particules uniques sans interaction, que se passe-t-il dans un système désordonné avec plusieurs électrons en interaction ? Des questions comme celle-ci et des aspects connexes du chaos quantique étaient dans l'esprit de Weld et de son co-auteur, le théoricien de l'Université du Maryland Victor Galitski, lors d'une discussion il y a plusieurs années lorsque Galitski était en visite à Santa Barbara.
Soudure rappelée, «Victor a soulevé la question de savoir ce qui se passerait si, au lieu de ce système quantique pur sans interaction qui est stabilisé par des interférences, vous aviez un tas de ces rotors, et ils pouvaient tous se heurter, interagir et interagir les uns avec les autres. La localisation persiste-t-elle ou les interactions la détruisent-elles ?
Galitski a dit, "En effet, c'est une question compliquée qui concerne les fondements de la mécanique statistique et la notion de base d'ergodicité, selon laquelle la plupart des systèmes en interaction finissent par se thermaliser dans un état universel."
"Imaginez un instant verser du lait froid dans du café chaud. Les particules dans votre tasse vont, au fil du temps et à travers leurs interactions, s'organiser dans un état d'équilibre uniforme qui n'est ni purement café chaud ou du lait froid. Ce type de comportement — la thermalisation — était attendu de tous les systèmes en interaction. C'est-à-dire jusqu'à il y a environ 16 ans, quand on a soutenu que le désordre dans un système quantique était censé entraîner une localisation à plusieurs corps (MBL).
"Ce phénomène, reconnu par le prix Lars Onsager en début d'année, est difficile à prouver théoriquement ou expérimentalement de manière rigoureuse."
L'équipe de Weld dispose de l'outil, de la technologie et des connaissances nécessaires pour faire la lumière sur la question. 100,000 XNUMX atomes de lithium ultra-froids sont suspendus dans une onde stationnaire de lumière dans un gaz dans leur laboratoire. Chaque atome représente un rotor quantique que les impulsions laser peuvent déclencher.
À l'aide d'un outil de résonance de Feshbach, les scientifiques peuvent garder les atomes masqués les uns des autres ou les faire rebondir les uns sur les autres avec des interactions arbitrairement fortes. En tournant un bouton, les chercheurs ont pu faire passer les atomes de lithium de la danse en ligne au mosh pit et capturer leurs comportements.
Comme prévu, lorsque les atomes n'ont pas pu se voir, ils ont pu résister à des coups de pied répétés du laser jusqu'à un certain point, moment auquel ils ont cessé de se déplacer dans leur forme localisée dynamiquement. Cependant, à mesure que les scientifiques augmentaient l'interaction, non seulement l'état confiné disparaissait, mais il semblait également que le système absorbait l'énergie des coups de pied répétés, simulant un comportement classique et chaotique.
Weld a dit, "Cependant, alors que le système quantique désordonné en interaction absorbait de l'énergie, il le faisait à un rythme beaucoup plus lent que ne le ferait un système classique."
« Nous voyons quelque chose qui absorbe l'énergie, mais pas aussi bien qu'un système classique. Et il semble que l'énergie croît à peu près avec la racine carrée du temps au lieu de linéairement avec le temps. Ainsi, les interactions ne le rendent pas classique; c'est toujours un état quantique étrange présentant une non-localisation anormale.
Les scientifiques ont utilisé une méthode appelée écho. Dans cette méthode, l'évolution cinétique est exécutée en avant puis en arrière pour mesurer comment les interactions détruisent directement la réversibilité temporelle. Un indicateur crucial du chaos quantique est la destruction de la réversibilité temporelle.
Le co-auteur Roshan Sajjad, un chercheur étudiant diplômé de l'équipe lithium, a déclaré : "Une autre façon de penser à cela est de demander : quelle quantité de mémoire de l'état initial le système a-t-il après un certain temps ?"
«En l'absence de perturbations telles que la lumière parasite ou les collisions de gaz, le système devrait pouvoir revenir à son état initial si la physique est exécutée à l'envers. Dans notre expérience, nous inversons le temps en inversant la phase des coups de pied, « annulant » les effets de la première série normale de coups de pied. Une partie de notre fascination était que différentes théories avaient prédit différents comportements sur le résultat de ce type de configuration interactive, mais personne n'avait jamais fait l'expérience.
L'auteur principal Alec Cao a déclaré: "L'idée approximative du chaos est que même si les lois du mouvement sont réversibles dans le temps, un système à plusieurs particules peut être si compliqué et sensible aux perturbations qu'il est pratiquement impossible de revenir à son état initial. La torsion était que dans un état effectivement désordonné (localisé), les interactions brisaient quelque peu la localisation alors même que le système perdait sa capacité à être inversé dans le temps.
Sajjad a dit, « Naïvement, on s'attendrait à ce que les interactions ruinent l'inversion du temps, mais nous avons vu quelque chose de plus intéressant : un peu d'interaction aide ! Ce fut l'un des résultats les plus surprenants de ce travail.
Les scientifiques ont mené une expérience complémentaire qui a produit des résultats similaires en utilisant des atomes plus lourds dans un contexte unidimensionnel.
Gupta a dit, "Les expériences à l'UW ont fonctionné dans un régime physique très difficile avec des atomes 25 fois plus lourds limités à se déplacer dans une seule dimension, mais ont également mesuré une croissance d'énergie plus faible que linéaire à partir de coups de pied périodiques, éclairant un domaine où les résultats théoriques ont en conflit.
Weld a dit, "Ces découvertes, comme de nombreux résultats de physique importants, ouvrent davantage de questions et ouvrent la voie à davantage d'expériences sur le chaos quantique, où le lien convoité entre le classique et le la physique quantique peuvent être découverts.
Galitski a commenté, « L'expérience de David est la première tentative de sonder une version dynamique de MBL dans un environnement de laboratoire plus contrôlé. Bien qu'il n'ait pas résolu sans ambiguïté la question fondamentale d'une manière ou d'une autre, les données montrent que quelque chose d'étrange se passe.
Souder a affirmé Valérie Plante., « Comment pouvons-nous comprendre ces résultats dans le contexte du très grand nombre de travaux sur la localisation à plusieurs corps dans les systèmes de matière condensée ? Comment caractériser cet état de la matière ? Nous observons que le système est délocalisé, mais pas avec la dépendance temporelle linéaire attendue ; que se passe-t-il ici? Nous attendons avec impatience de futures expériences explorant ces questions et d'autres.
Journal de référence:
- Voir Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Délocalisation dynamique à plusieurs corps dans un gaz ultrafroid unidimensionnel kické. Nat. Physique. (2022). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41567-022-01721-w
