Sistem kuantum yang ditendang dapat menampilkan munculnya lokalisasi dinamis, yang membatasi penyerapan energi dan menyebabkan gangguan ergodisitas, berbeda dengan sistem penggerak klasik, yang menampilkan perilaku kacau dan akumulasi energi difusi. Sudah lama tidak jelas bagaimana keadaan terlokalisasi secara dinamis berkembang ketika interaksi banyak tubuh ada.
Sebuah studi baru oleh fisikawan di UC Santa Barbara dan University of Maryland, dan juga di University of Washington, telah menemukan jawaban atas pertanyaan fisika yang sudah lama ada: Bagaimana interaksi antarpartikel memengaruhi lokalisasi dinamis?
Pertanyaannya berkaitan dengan fisika "banyak tubuh", yang mengeksplorasi karakteristik fisik sistem kuantum dengan banyak tipe data. Masalah banyak tubuh telah menjadi subjek penelitian dan diskusi selama beberapa dekade. Kompleksitas sistem ini, bersama dengan fenomena kuantum seperti superposisi dan belitan, mengarah ke berbagai kemungkinan, sehingga sulit untuk menjawab melalui perhitungan saja.
Untungnya, masalah ini tidak berada di luar jangkauan eksperimen yang melibatkan atom lithium dan laser yang sangat dingin. Jadi, menurut para ilmuwan, a keadaan kuantum yang aneh muncul ketika Anda memperkenalkan interaksi di tempat yang tidak teratur dan kacau sistem kuantum.
David Weld (tautan eksternal), seorang fisikawan eksperimental di UCSB dengan spesialisasi dalam fisika atom ultradingin dan simulasi kuantum mengatakan, "Ini adalah keadaan yang anomali, dengan sifat-sifat yang dalam beberapa hal terletak di antara prediksi klasik dan prediksi kuantum yang tidak berinteraksi."
“Ketika berbicara tentang perilaku aneh dan berlawanan dengan intuisi, dunia kuantum tidak mengecewakan. Ambil, misalnya, pendulum biasa, yang akan berperilaku persis seperti yang kita harapkan ketika mengalami pulsa energi.
“Jika Anda menendangnya dan menggoyangkannya ke atas dan ke bawah sesekali, pendulum klasik akan terus menyerap energi, mulai bergoyang di semua tempat, dan menjelajahi seluruh ruang parameter dengan kacau.”
Kekacauan dalam sistem kuantum tampaknya berbeda. Gangguan ini dapat menyebabkan partikel-partikel berhenti. Selain itu, sementara pendulum kuantum yang ditendang atau "rotor" awalnya dapat menyerap energi dari tendangan, mirip dengan pendulum klasik, dengan tendangan berulang, sistem berhenti menyerap energi, dan distribusi momentum membeku dalam apa yang dikenal sebagai keadaan terlokalisasi secara dinamis.
Keadaan terlokalisasi ini sangat mirip dengan perilaku padatan elektronik "kotor", di mana ketidakteraturan menghasilkan elektron terlokalisasi yang tidak bergerak. Ini menyebabkan padatan untuk transisi dari menjadi logam, atau konduktor (elektron bergerak), ke isolator.
Sementara keadaan lokalisasi ini telah dieksplorasi selama beberapa dekade dalam konteks partikel tunggal yang tidak berinteraksi, apa yang terjadi dalam sistem yang tidak teratur dengan banyak elektron yang berinteraksi? Pertanyaan seperti ini dan aspek terkait dari kekacauan kuantum ada di benak Weld dan rekan penulisnya, ahli teori Universitas Maryland, Victor Galitski, selama diskusi beberapa tahun lalu ketika Galitski mengunjungi Santa Barbara.
Las mengingat, “Victor mengajukan pertanyaan tentang apa yang terjadi jika, alih-alih sistem kuantum murni yang tidak berinteraksi yang distabilkan oleh interferensi, Anda memiliki sekumpulan rotor ini, dan mereka semua dapat bertabrakan dan berinteraksi serta berinteraksi satu sama lain. Apakah lokalisasi tetap ada, atau interaksi menghancurkannya?”
Galitski berkata, “Memang, ini adalah pertanyaan rumit yang berkaitan dengan dasar mekanika statistik dan gagasan dasar tentang ergodisitas, di mana sebagian besar sistem yang berinteraksi akhirnya mengalami termal menjadi keadaan universal.”
“Bayangkan sejenak menuangkan susu dingin ke dalam kopi panas. Partikel dalam cangkir Anda akan, seiring waktu dan melalui interaksinya, mengatur diri mereka sendiri ke dalam keadaan keseimbangan yang seragam yang tidak murni kopi panas atau susu dingin. Jenis perilaku ini — termalisasi — diharapkan dari semua sistem yang berinteraksi. Artinya, sampai sekitar 16 tahun yang lalu ketika diperdebatkan bahwa ketidakteraturan dalam sistem kuantum dianggap menghasilkan lokalisasi banyak-tubuh (MBL).”
“Fenomena ini, yang diakui oleh Lars Onsager Prize awal tahun ini, sulit dibuktikan secara teoretis atau eksperimental secara ketat.”
Tim Weld memiliki alat, teknologi, dan pengetahuan untuk menjelaskan masalah ini secara efektif. 100,000 atom lithium ultra-dingin tersuspensi dalam gelombang cahaya berdiri dalam gas di lab mereka. Setiap atom mewakili rotor kuantum yang dapat dipicu oleh pulsa laser.
Menggunakan alat resonansi Feshbach, para ilmuwan dapat menjaga atom-atom terselubung satu sama lain atau membuatnya saling memantul dengan interaksi kuat yang sewenang-wenang. Dengan satu putaran tombol, para peneliti dapat membuat atom lithium beralih dari tarian garis ke mosh pit dan menangkap perilaku mereka.
Seperti yang diantisipasi, ketika atom tidak dapat melihat satu sama lain, mereka mampu menahan tendangan berulang dari laser sampai titik tertentu, di mana pada saat itu mereka berhenti bergerak dalam bentuk terlokalisasi secara dinamis. Namun, ketika para ilmuwan meningkatkan interaksi, tidak hanya keadaan terbatas menghilang, tetapi juga tampaknya sistem menyerap energi dari tendangan yang berulang, mensimulasikan perilaku klasik dan kacau.
Las berkata, “Namun, ketika sistem kuantum tak teratur yang berinteraksi menyerap energi, ia melakukannya pada tingkat yang jauh lebih lambat daripada sistem klasik.”
“Kami melihat sesuatu yang menyerap energi, tetapi tidak sebaik sistem klasik. Dan sepertinya energi tumbuh secara kasar dengan akar kuadrat dari waktu, bukan linier dengan waktu. Jadi interaksinya tidak membuatnya klasik; itu masih keadaan kuantum aneh yang menunjukkan non-lokalisasi anomali.”
Para ilmuwan menggunakan metode yang disebut gema. Dalam metode ini, evolusi kinetik dijalankan ke depan dan kemudian ke belakang untuk mengukur bagaimana interaksi menghancurkan reversibilitas waktu secara langsung. Salah satu indikator penting dari kekacauan kuantum adalah penghancuran reversibilitas waktu.
Rekan penulis Roshan Sajjad, seorang peneliti mahasiswa pascasarjana di tim lithium, mengatakan, "Cara lain untuk memikirkan ini adalah dengan bertanya: Berapa banyak memori dari keadaan awal yang dimiliki sistem setelah beberapa waktu?"
“Dengan tidak adanya gangguan seperti tabrakan cahaya atau gas, sistem harus dapat kembali ke keadaan awal jika fisika dijalankan mundur. Dalam percobaan kami, kami membalikkan waktu dengan membalikkan fase tendangan, 'membatalkan' efek dari set tendangan normal pertama. Bagian dari daya tarik kami adalah bahwa teori yang berbeda telah memprediksi perilaku yang berbeda pada hasil dari jenis pengaturan yang berinteraksi ini, tetapi tidak ada yang pernah melakukan percobaan.
Penulis utama Alec Cao berkata, “Gagasan kasar tentang kekacauan adalah bahwa meskipun hukum gerak dapat dibalikkan waktu, sistem banyak partikel bisa sangat rumit dan sensitif terhadap gangguan yang praktis tidak mungkin untuk kembali ke keadaan awalnya. Twistnya adalah bahwa dalam keadaan tidak teratur (terlokalisasi) secara efektif, interaksi agak merusak lokalisasi bahkan ketika sistem kehilangan kapasitasnya untuk membalikkan waktu. ”
Sajjad berkata, “Naif, Anda mengharapkan interaksi merusak pembalikan waktu, tetapi kami melihat sesuatu yang lebih menarik: Sedikit interaksi membantu! Ini adalah salah satu hasil yang lebih mengejutkan dari pekerjaan ini.”
Para ilmuwan menjalankan eksperimen pelengkap yang menghasilkan hasil serupa menggunakan atom yang lebih berat dalam konteks satu dimensi.
Gupta berkata, “Eksperimen di UW beroperasi dalam rezim fisik yang sangat sulit dengan atom 25 kali lebih berat yang dibatasi untuk bergerak dalam satu dimensi saja, namun juga mengukur pertumbuhan energi yang lebih lemah dari linear dari tendangan periodik, menyoroti area di mana hasil teoretis telah bertentangan.”
Las berkata, “Temuan ini, seperti banyak hasil fisika penting, membuka lebih banyak pertanyaan dan membuka jalan bagi eksperimen kekacauan kuantum yang lebih banyak, di mana hubungan yang didambakan antara klasik dan fisika kuantum mungkin terbongkar.”
Galitski berkomentar, “Eksperimen David adalah upaya pertama untuk menyelidiki versi dinamis MBL dalam pengaturan laboratorium yang lebih terkontrol. Meskipun belum secara pasti menyelesaikan pertanyaan mendasar dengan satu atau lain cara, data menunjukkan sesuatu yang aneh sedang terjadi.”
Weld tersebut, “Bagaimana kita bisa memahami hasil ini dalam konteks tubuh yang sangat besar dari pekerjaan lokalisasi banyak tubuh dalam sistem materi terkondensasi? Bagaimana kita bisa mengkarakterisasi keadaan materi ini? Kami mengamati bahwa sistem terdelokalisasi, tetapi tidak dengan ketergantungan waktu linier yang diharapkan; Apa yang sedang terjadi di sana? Kami menantikan eksperimen di masa depan yang mengeksplorasi ini dan pertanyaan lainnya. ”
Referensi Jurnal:
- Lihat Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. dkk. Delokalisasi dinamis banyak tubuh dalam gas ultradingin satu dimensi yang ditendang. Nat. fisik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
