A kirúgott kvantumrendszerek dinamikus lokalizációt mutathatnak, amely korlátozza az energiaelnyelést és az ergodikitás lebomlását okozza, ellentétben a klasszikus vezérelt rendszerekkel, amelyek kaotikus viselkedést és diffúz energiafelhalmozódást mutatnak. Régóta tisztázatlan, hogy a dinamikusan lokalizált állapotok hogyan alakulnak ki sok test kölcsönhatása esetén.
A fizikusok új tanulmánya a címen UC Santa Barbara és a Marylandi Egyetem, valamint a Washingtoni Egyetem választ talált arra a régóta fennálló fizikai kérdésre: Hogyan befolyásolják a részecskék közötti kölcsönhatások a dinamikus lokalizációt?
A kérdés a „soktestű” fizikára vonatkozik, amely egy kvantumrendszer fizikai jellemzőit tárja fel számos adattípussal. A sok testet érintő problémák évtizedek óta kutatások és vita tárgyai. Ezeknek a rendszereknek a bonyolultsága, valamint a kvantumjelenségek, mint pl ráhelyezés és a összefonódás, a lehetőségek széles skálájához vezet, megnehezítve a válaszadást pusztán számítással.
Szerencsére ez a probléma nem volt elérhetetlen egy olyan kísérletnél, amelyben ultrahideg lítiumatomok és lézerek vettek részt. Tehát a tudósok szerint a furcsa kvantumállapot akkor jelenik meg, amikor az interakciót egy rendezetlen, kaotikusba vezeti be kvantumrendszer.
David Weld (link is external), az UCSB kísérleti fizikusa, aki az ultrahideg atomfizika és a kvantumszimuláció szakterülete, azt mondta: "Ez egy anomális állapot, amelynek tulajdonságai bizonyos értelemben a klasszikus előrejelzés és a nem kölcsönható kvantum-előrejelzés között helyezkednek el."
„Amikor furcsa, intuitív viselkedésről van szó, a kvantumvilág nem okoz csalódást. Vegyünk például egy szabályos ingát, amely energiaimpulzusok hatására pontosan úgy viselkedik, ahogyan azt várjuk.”
"Ha időnként fel-le rázod, egy klasszikus inga folyamatosan elnyeli az energiát, mindenhol mozogni kezd, és kaotikusan feltárja az egész paraméterteret."
Másnak tűnik a káosz a kvantumrendszerekben. A rendellenesség a részecskék leállását okozhatja. Ezen túlmenően, míg egy elrúgott kvantuminga vagy „rotor” kezdetben a klasszikus ingához hasonlóan ismételt rúgásokkal elnyelheti a rúgásokból származó energiát, a rendszer leállítja az energia felvételét, és a lendületeloszlás lefagy az úgynevezett dinamikusan lokalizált állapotban.
Ez a lokalizált állapot szorosan analóg egy „piszkos” elektronikus szilárd anyag viselkedésével, amelyben a rendezetlenség mozdulatlan, lokalizált elektronokat eredményez. Ez okozza a szilárd anyag átalakulását fémből vagy vezetőből (mozgó elektronok) szigetelővé.
Míg a lokalizációnak ezt az állapotát évtizedek óta vizsgálják egyetlen, nem kölcsönható részecskék kontextusában, mi történik egy rendezetlen rendszerben, ahol több kölcsönhatásban lévő elektron van? Az ehhez hasonló kérdések és a kvantumkáosz kapcsolódó vonatkozásai Weld és szerzőtársa, a University of Maryland teoretikusa, Victor Galitski fejében jártak egy beszélgetés során, amikor Galitski Santa Barbarában járt.
Weld visszaemlékezett, „Victor felvetette a kérdést, hogy mi történik, ha e tiszta, nem kölcsönhatásba lépő kvantumrendszer helyett, amelyet az interferencia stabilizál, egy csomó ilyen rotor van, és ezek mind egymásba ütközhetnek, kölcsönhatásba léphetnek egymással. A lokalizáció megmarad, vagy a kölcsönhatások tönkreteszik azt?”
Galitski azt mondta: „Valóban, ez egy bonyolult kérdés, amely a statisztikai mechanika alapjaihoz és az ergodikitás alapfogalmához kapcsolódik, amikor is a legtöbb kölcsönhatásban lévő rendszer végül univerzális állapotba kerül.”
„Képzelje el egy pillanatra, hogy hideg tejet önt a forró kávéba. A csészében lévő részecskék idővel és kölcsönhatásaik révén egységes, egyensúlyi állapotba rendeződnek, amely nem is pusztán forró kávé vagy hideg tejet. Ez a fajta viselkedés – a termizáció – minden kölcsönhatásban lévő rendszertől elvárható volt. Vagyis körülbelül 16 évvel ezelőttig, amikor azt állították, hogy a kvantumrendszerben fellépő rendellenességről azt gondolták, hogy soktestes lokalizációt (MBL) eredményez.
„Ezt a jelenséget, amelyet az év elején a Lars Onsager-díj is elismert, nehéz elméletileg vagy kísérletileg szigorúan bizonyítani.”
A Weld csapata rendelkezik azokkal az eszközökkel, technológiával és tudással, hogy hatékonyan megvilágítsa a kérdést. 100,000 XNUMX ultrahideg lítium atomot szuszpendálnak egy álló fényhullámban gázban a laboratóriumukban. Minden atom egy kvantumrotort képvisel, amelyen a lézerimpulzusok szikrát keltenek.
Egy Feshbach-rezonancia eszköz segítségével a tudósok el tudják tartani az atomokat egymástól, vagy tetszőlegesen erős kölcsönhatásokkal visszaverhetik őket egymástól. Egy gomb elfordításával a kutatók a lítium atomokat line dance-ről mosh pitre tudták váltani, és megörökíthetik viselkedésüket.
Ahogy az várható volt, amikor az atomok nem látták egymást, egy bizonyos pontig képesek voltak ellenállni a lézer ismétlődő rúgásainak, amikor is abbahagyták a mozgást dinamikusan lokalizált formájukban. Azonban ahogy a tudósok fokozták az interakciót, nemcsak a bezárt állapot tűnt el, hanem úgy tűnt, hogy a rendszer elnyeli az ismételt rúgásokból származó energiát, szimulálva a klasszikus, kaotikus viselkedést.
Weld azt mondta: "Azonban, míg a kölcsönhatásban lévő rendezetlen kvantumrendszer elnyelte az energiát, ezt sokkal lassabban tette, mint egy klasszikus rendszer."
„Olyasmit látunk, ami elnyeli az energiát, de nem olyan jól, mint egy klasszikus rendszer. És úgy tűnik, hogy az energia nagyjából az idő négyzetgyökével nő, nem pedig lineárisan az idővel. Tehát az interakciók nem teszik klasszikussá; ez még mindig egy furcsa kvantumállapot, amely rendellenes nem lokalizációt mutat."
A tudósok az echo nevű módszert alkalmazták. Ebben a módszerben a kinetikus evolúciót előre, majd visszafelé futják annak mérésére, hogy a kölcsönhatások hogyan rombolják közvetlenül az idő reverzibilitását. A kvantumkáosz egyik döntő mutatója az idő visszafordíthatóságának megsemmisülése.
Roshan Sajjad társszerző, a lítium-csapat végzős hallgatói kutatója elmondta: „Egy másik módja ennek az elgondolására, hogy megkérdezzük: mennyi memóriája van a rendszernek egy idő után a kezdeti állapotról?”
„Bármilyen zavar, például szórt fény vagy gázütközés hiányában a rendszernek képesnek kell lennie arra, hogy visszatérjen a kezdeti állapotába, ha a fizika visszafelé fut. Kísérletünkben megfordítjuk az időt a rúgások fázisának megfordításával, „visszavonva” az első normál rúgássorozat hatásait. A bűvölet egyik része az volt, hogy a különböző elméletek eltérő viselkedést jósoltak az ilyen típusú interakciós elrendezések kimenetelével kapcsolatban, de soha senki nem végezte el a kísérletet.”
Alec Cao vezető szerző elmondta: „A káosz durva elképzelése az, hogy bár a mozgástörvények időben megfordíthatók, egy sokrészecskés rendszer olyan bonyolult és érzékeny lehet olyan zavarokra, amelyeket gyakorlatilag lehetetlen visszaállítani eredeti állapotába. A csavar az volt, hogy egy ténylegesen rendezetlen (lokalizált) állapotban az interakciók némileg megtörték a lokalizációt, még akkor is, ha a rendszer elvesztette az időfordítás képességét.
Sajjad azt mondta: „Naivan azt várná az ember, hogy az interakciók tönkreteszik az időfordítást, de láttunk még valami érdekeset: egy kis interakció segít! Ez volt a munka egyik legmeglepőbb eredménye.”
A tudósok egy kiegészítő kísérletet végeztek, amely hasonló eredményeket produkált nehezebb atomok egydimenziós összefüggésében.
Gupta azt mondta: „Az UW-ben végzett kísérletek nagyon nehéz fizikai körülmények között zajlottak, ahol a 25-ször nehezebb atomok csak egy dimenzióban mozogtak, ugyanakkor a lineárisnál gyengébb energianövekedést mértek a periodikus rúgásból, ami rávilágított egy olyan területre, ahol elméleti eredmények születtek. ellentmondásos.”
Weld azt mondta: „Ezek az eredmények, mint sok fontos fizikai eredmény, több kérdést vetnek fel, és több kvantumkáoszkísérlet előtt nyitják meg az utat, ahol az áhított kapcsolat a klasszikus és kvantumfizika feltárulhat."
Galitski megjegyezte: „David kísérlete az első kísérlet az MBL dinamikus változatának szondázására egy jobban ellenőrzött laboratóriumi környezetben. Bár így vagy úgy nem oldotta meg egyértelműen az alapvető kérdést, az adatok azt mutatják, hogy valami furcsa történik.”
Hegesztési mondott, „Hogyan érthetjük meg ezeket az eredményeket a kondenzált anyagrendszerekben végzett sok test lokalizációjával kapcsolatos igen nagy munka összefüggésében? Hogyan jellemezhetjük az anyagnak ezt az állapotát? Megfigyeljük, hogy a rendszer delokalizálódik, de nem a várt lineáris időfüggéssel; Mi folyik ott? Várjuk a jövőbeli kísérleteket, amelyek ezeket és más kérdéseket vizsgálnak.”
Journal Reference:
- Lásd Toh, J. H., McCormick, K. C., Tang, X. et al. Sok test dinamikus delokalizációja egy rúgott egydimenziós ultrahideg gázban. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
