מערכות קוונטיות שנבעטו יכולות להראות את הופעתה של לוקליזציה דינמית, המגבילה את ספיגת האנרגיה וגורמת להתמוטטות של ארגודיסטיות, בניגוד למערכות מונעות קלאסיות, המציגות התנהגות כאוטית והצטברות אנרגיה מפוזרת. זה זמן רב לא ברור כיצד מצבים מקומיים דינמיים מתפתחים כאשר קיימות אינטראקציות של גופים רבים.
מחקר חדש של הפיזיקאים ב UC סנטה ברברה ואוניברסיטת מרילנד, וגם באוניברסיטת וושינגטון, מצאו תשובה לשאלת הפיזיקה ארוכת השנים: כיצד משפיעות אינטראקציות בין-חלקיקים על לוקליזציה דינמית?
השאלה נוגעת לפיזיקה של "רב-גוף", החוקרת את המאפיינים הפיזיקליים של מערכת קוונטית עם סוגי נתונים רבים. בעיות בגוף רבים היו נושא למחקר ולדיון במשך עשרות שנים. המורכבות של מערכות אלו, יחד עם תופעות קוונטיות כמו חֲפִיפָה ו הסתבכות, מוביל למגוון עצום של אפשרויות, מה שמקשה על התשובה באמצעות חישוב בלבד.
למרבה המזל, בעיה זו לא הייתה מעבר להישג ידו של ניסוי שכלל אטומי ליתיום ולייזרים קרים במיוחד. אז, על פי מדענים, א מצב קוונטי מוזר מופיע כאשר אתה מציג אינטראקציה במצב מופרע, כאוטי מערכת קוונטית.
דיוויד ולד (קישור חיצוני), פיזיקאי ניסיוני ב-UCSB עם התמחות בפיזיקה אטומית קרה במיוחד וסימולציה קוונטית אמר, "זהו מצב שהוא חריג, עם מאפיינים שבמובן מסוים נמצאים בין החיזוי הקלאסי לבין החיזוי הקוונטי שאינו מקיים אינטראקציה."
"כשזה מגיע להתנהגות מוזרה ומנוגדת לאינטואיציה, העולם הקוונטי לא מאכזב. קח, למשל, מטוטלת רגילה, שתתנהג בדיוק כפי שאנו מצפים ממנה כשהיא נתונה לפולסי אנרגיה."
"אם תבעטו בו ותנערו אותו למעלה ולמטה מדי פעם, מטוטלת קלאסית תספוג ללא הרף אנרגיה, תתחיל להתנועע בכל מקום ולחקור את כל מרחב הפרמטרים בצורה כאוטי".
הכאוס במערכות קוונטיות נראה שונה. ההפרעה עלולה לגרום לחלקיקים לקיפאון. בנוסף, בעוד שמטוטלת קוונטית או "רוטור" שנבעטו עשויים לספוג בתחילה אנרגיה מהבעיטות, בדומה למטוטלת קלאסית, עם בעיטות חוזרות ונשנות, המערכת מפסיקה לספוג אנרגיה, וחלוקת המומנטום קופאת במה שמכונה מצב מקומי דינמי.
מצב מקומי זה מקביל מאוד להתנהגותו של מוצק אלקטרוני "מלוכלך", שבו אי-סדר גורמת לאלקטרונים מקומיים לא-ניידים. הוא גורם למוצק לעבור מלהיות מתכת, או מוליך (אלקטרונים נעים), למבודד.
בעוד שמצב זה של לוקליזציה נחקר במשך עשרות שנים בהקשר של חלקיקים בודדים שאינם מקיימים אינטראקציה, מה קורה במערכת לא מסודרת עם מספר אלקטרונים המקיימים אינטראקציה? שאלות כמו זו והיבטים קשורים של כאוס קוונטי עלו בראשם של ולד ומחברו, התיאורטיקן של אוניברסיטת מרילנד ויקטור גליצקי, במהלך דיון לפני מספר שנים כאשר גליצקי ביקר בסנטה ברברה.
ולד נזכר, "ויקטור העלה את השאלה מה יקרה אם במקום מערכת קוונטית טהורה שאינה מקיימת אינטראקציה שמייצבת על ידי הפרעות, יש לך חבורה של רוטורים אלה, וכולם יכולים להיתקל באינטראקציה ולקיים אינטראקציה זה עם זה. האם הלוקליזציה נמשכת, או שהאינטראקציות הורסות אותה?"
גליצקי אמר, "אכן, זו שאלה מסובכת המתייחסת ליסודות המכניקה הסטטיסטית ולתפיסה הבסיסית של ארגודיסטיות, לפיה רוב המערכות המקיימות אינטראקציה מתחרמות בסופו של דבר למצב אוניברסלי."
"דמיין לעצמך לרגע שאתה מוזג חלב קר לקפה חם. החלקיקים בכוס שלך, לאורך זמן ובאמצעות האינטראקציות שלהם, יסדרו את עצמם למצב אחיד, שיווי משקל שאינו גרידא. קפה חם או חלב קר. סוג זה של התנהגות - תרמליזציה - היה צפוי מכל המערכות המקיימות אינטראקציה. כלומר, עד לפני כ-16 שנה, כאשר נטען שהפרעה במערכת קוונטית נחשבה כגורמת ללוקליזציה של הרבה גוף (MBL).
"את התופעה הזו, שהוכרה על ידי פרס לארס אונסאגר מוקדם יותר השנה, קשה להוכיח באופן תיאורטי או ניסיוני בקפדנות".
לצוות של וולד יש את הכלי, הטכנולוגיה והידע לשפוך אור ביעילות על העניין. 100,000 אטומי ליתיום קרים במיוחד תלויים בגל עומד של אור בגז במעבדתם. כל אטום מייצג רוטור קוונטי שפולסי לייזר יכולים להצית.
באמצעות כלי תהודה של פשבך, מדענים יכולים לשמור את האטומים במעטה זה מזה או לגרום להם להקפיץ זה את זה עם אינטראקציות חזקות באופן שרירותי. בעזרת סיבוב של כפתור, החוקרים יכלו לגרום לאטומי הליתיום לעבור מריקוד שורות לבור מוש וללכוד את התנהגויותיהם.
כצפוי, כאשר האטומים לא היו מסוגלים לראות זה את זה, הם היו מסוגלים לעמוד בעיטות חוזרות ונשנות מהלייזר עד לנקודה מסוימת, אז הם הפסיקו לנוע בצורתם הממוקמת באופן דינמי. עם זאת, כשהמדענים הגבירו את האינטראקציה, לא רק שהמצב המצומצם נעלם, אלא גם נראה שהמערכת סופגת את האנרגיה מהבעיטות החוזרות ונשנות, ומדמה התנהגות קלאסית וכאוטית.
ולד אמר, "עם זאת, בזמן שהמערכת הקוונטית המופרעת המקיימת אינטראקציה ספגה אנרגיה, היא עשתה זאת בקצב איטי הרבה יותר מאשר מערכת קלאסית."
"אנחנו רואים משהו שסופג אנרגיה, אבל לא כמו שמערכת קלאסית יכולה. ונראה שהאנרגיה גדלה בערך עם השורש הריבועי של הזמן במקום באופן ליניארי עם הזמן. אז האינטראקציות לא הופכות את זה לקלאסי; זה עדיין מצב קוונטי מוזר שמפגין אי-לוקליזציה חריגה."
מדענים השתמשו בשיטה הנקראת אקו. בשיטה זו, האבולוציה הקינטית מתנהלת קדימה ואז אחורה כדי למדוד כיצד אינטראקציות הורסות את הפיכות הזמן ישירות. אינדיקטור מכריע אחד לכאוס קוונטי הוא הרס של הפיכות הזמן.
מחבר שותף רושן סאג'אד, חוקר סטודנט לתואר שני בצוות הליתיום, אמר: "דרך נוספת לחשוב על זה היא לשאול: כמה זיכרון של המצב ההתחלתי יש למערכת לאחר זמן מה?"
"בהיעדר הפרעות כלשהן כמו אור תועה או התנגשויות גזים, המערכת אמורה להיות מסוגלת לחזור למצבה ההתחלתי אם הפיזיקה מופעלת לאחור. בניסוי שלנו, אנו הופכים את הזמן על ידי היפוך שלב הבעיטות, 'מבטלים' את ההשפעות של קבוצת הבעיטות הרגילה הראשונה. חלק מהקסם שלנו היה שתיאוריות שונות חזו התנהגויות שונות על התוצאה של סוג זה של מערך אינטראקציה, אבל אף אחד מעולם לא עשה את הניסוי."
המחבר הראשי אלק קאו אמר, "הרעיון הגס של כאוס הוא שלמרות שחוקי התנועה הפיכים בזמן, מערכת מרובת חלקיקים יכולה להיות כל כך מסובכת ורגישה להפרעות שבלתי אפשרי כמעט לחזור למצבה ההתחלתי. הטוויסט היה שבמצב מופרע (מקומי) למעשה, האינטראקציות שברו במידת מה את הלוקליזציה גם כשהמערכת איבדה את יכולתה להתהפך בזמן."
סג'אד אמר, "באופן נאיבי, היית מצפה שאינטראקציות יהרוס היפוך זמן, אבל ראינו משהו מעניין יותר: קצת אינטראקציה עוזרת! זו הייתה אחת התוצאות היותר מפתיעות של העבודה הזו".
מדענים ניהלו ניסוי משלים שהפיק תוצאות דומות באמצעות אטומים כבדים יותר בהקשר חד מימדי.
גופטה אמר, "הניסויים ב-UW פעלו במשטר פיזי קשה מאוד עם אטומים כבדים פי 25 המוגבלים לנוע בממד אחד בלבד, אך גם מדדו צמיחה אנרגיה חלשה מהלינארית כתוצאה מבעיטות תקופתיות, ושופכים אור על אזור שבו התוצאות התיאורטיות מסוכסך."
ולד אמר, "ממצאים אלה, כמו תוצאות פיזיקה חשובות רבות, פותחים שאלות נוספות וסוללים את הדרך לניסויי כאוס קוונטי נוספים, שבהם הקשר הנחשק בין קלאסי ל פיזיקת הקוונטים עלול להיחשף."
גליצקי הגיב, "הניסוי של דיוויד הוא הניסיון הראשון לחקור גרסה דינמית של MBL בסביבה מעבדתית מבוקרת יותר. למרות שזה לא פתר באופן חד משמעי את השאלה הבסיסית בצורה כזו או אחרת, הנתונים מראים שמשהו מוזר קורה".
לרתך אמר, "כיצד נוכל להבין את התוצאות הללו בהקשר של מכלול העבודה הגדול מאוד על לוקליזציה של גופים רבים במערכות חומר מעובה? כיצד נוכל לאפיין את מצב החומר הזה? אנו רואים שהמערכת עוברת דה-לוקאליזציה, אך לא עם תלות הזמן הליניארית הצפויה; מה קורה שם? אנו מצפים לניסויים עתידיים שיחקרו שאלות אלו ואחרות."
עיון ביומן:
- ראה Toh, J.H., McCormick, K.C., Tang, X. et al. דה-לוקליזציה דינמית של הרבה גוף בגז אולטרה-קר חד-ממדי בועט. נאט. פיז. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
