カオス的な挙動と拡散エネルギーの蓄積を示す古典的な駆動システムとは対照的に、キックされた量子システムは、エネルギー吸収を制限し、エルゴード性の崩壊を引き起こす動的局在化の出現を示す可能性があります。 多体相互作用が存在する場合に局在状態がどのように動的に進化するかは長い間不明でした。
物理学者による新しい研究 カリフォルニア大学サンタバーバラ メリーランド大学とワシントン大学は、長年の物理学の疑問「粒子間の相互作用は動的局在化にどのように影響するのか?」に対する答えを発見した。
この質問は、多数のデータ型を含む量子システムの物理的特性を調査する「多体」物理学に関するものです。 多体問題は、数十年にわたって研究と議論の対象となってきました。 これらのシステムの複雑さと、次のような量子現象 重畳 & エンタングルメント, 可能性は多岐にわたり、計算だけで答えるのは困難です。
幸いなことに、この問題は極低温のリチウム原子とレーザーを使った実験では解決できませんでした。 したがって、科学者によると、 奇妙な量子状態 無秩序で混沌とした状態に相互作用を導入すると現れます 量子システム.
極冷原子物理学と量子シミュレーションを専門とするUCSBの実験物理学者であるデイビッド・ウェルド氏(リンクは外部)は次のように述べています。 「これは異常な状態であり、ある意味、古典的予測と相互作用しない量子予測の間にある性質を持っています。」
「奇妙で直感に反する動作に関しては、量子の世界は失望しません。 たとえば、通常の振り子を考えてみましょう。これは、エネルギーパルスを受けたときに、私たちが期待するとおりに動作します。」
「時々蹴ったり、上下に振ったりすると、古典的な振り子は継続的にエネルギーを吸収し、あちこちで小刻みに動き始め、パラメーター空間全体を無秩序に探索します。」
量子システムのカオスは異なるようです。 この障害により、粒子が一種の停止状態になる可能性があります。 さらに、キックされた量子振り子または「ローター」は、古典的な振り子と同様に、最初はキックからエネルギーを吸収しますが、キックを繰り返すと、システムはエネルギーの吸収を停止し、運動量分布は動的に局在化された状態として知られる状態でフリーズします。
この局在状態は、無秩序により移動不能な局在電子が生じる「汚れた」電子固体の挙動によく似ています。 それは固体を金属または導体（電子を動かす）から絶縁体に遷移させます。
この局在状態は、相互作用しない単一粒子の状況で数十年にわたって研究されてきましたが、相互作用する電子が複数ある無秩序な系では何が起こるのでしょうか? このような疑問と、量子カオスの関連する側面は、数年前にガリツキーがサンタバーバラを訪れていたときの議論中に、ウェルドと彼の共著者であるメリーランド大学の理論家ビクター・ガリツキーの頭に浮かんでいました。
ウェルド氏はこう思い出した。 「ビクターは、干渉によって安定化された純粋な非相互作用の量子システムの代わりに、これらのローターが多数あり、それらがすべてぶつかり、相互作用し、相互作用する場合には何が起こるかという問題を提起しました。 ローカリゼーションは持続しますか、それとも相互作用によって破壊されますか?」
ガリツキー氏はこう語った。 「確かに、これは統計力学の基礎とエルゴード性の基本概念に関連する複雑な問題であり、それによってほとんどの相互作用システムは最終的に普遍的な状態に熱化します。」
「温かいコーヒーに冷たいミルクを注ぐところをちょっと想像してみてください。 カップの中の粒子は、時間の経過と相互作用を通じて、純粋ではない均一な平衡状態に整えられます。 ホットコーヒー または冷たい牛乳。 このタイプの動作 (熱化) は、相互作用するすべてのシステムで予期されていました。 つまり、約 16 年前までは、量子システムの無秩序が多体局在化 (MBL) を引き起こすと考えられていたのです。」
「今年初めにラース・オンサガー賞によって認められたこの現象は、理論的または実験的に厳密に証明することが困難です。」
Weld のチームは、この問題を効果的に解明するためのツール、テクノロジー、知識を備えています。 100,000 個の超低温リチウム原子が、研究室のガス中の光の定在波の中に浮遊しています。 各原子は、レーザーパルスが点火できる量子ローターを表します。
フェッシュバッハ共鳴ツールを使用すると、科学者は原子を互いに遮蔽したり、任意の強い相互作用で原子を互いに反発させたりすることができます。 研究者らは、ノブを回すだけで、リチウム原子をラインダンスからモッシュピットに移行させ、その行動を捉えることができた。
予想通り、原子がお互いに見えないときは、ある時点までレーザーの繰り返しの攻撃に耐えることができましたが、その時点で動的に局在化した形での動きが止まりました。 しかし、科学者たちが相互作用を増やすと、閉じ込められた状態が消失しただけでなく、システムが繰り返されるキックからエネルギーを吸収し、古典的で混沌とした動作をシミュレートしているように見えました。
ウェルド氏はこう言った。 「しかし、相互作用する無秩序な量子システムはエネルギーを吸収していましたが、その速度は古典的なシステムよりもはるかに遅かったのです。」
「私たちはエネルギーを吸収するものを見ていますが、古典的なシステムほどではありません。 そして、エネルギーは時間とともに直線的にではなく、時間の平方根に応じておおよそ増加しているように見えます。 つまり、相互作用によってそれが古典的になるわけではありません。 それは依然として異常な非局在化を示す奇妙な量子状態です。」
科学者はエコーと呼ばれる方法を使用しました。 この方法では、速度論的進化を順方向に実行し、次に逆方向に実行して、相互作用がどのように時間可逆性を直接破壊するかを測定します。 量子カオスの重要な指標の XNUMX つは、時間可逆性の破壊です。
共著者でリチウムチームの大学院生研究者であるロシャン・サジャド氏は次のように述べた。 「これについて考えるもう XNUMX つの方法は、しばらくしてからシステムに初期状態のメモリがどのくらい残っているかを尋ねることです。」
「迷光やガス衝突などの摂動がない場合、物理学を逆方向に実行した場合、システムは初期状態に戻ることができるはずです。 私たちの実験では、キックの位相を反転することで時間を逆転させ、最初の通常のキックのセットの効果を「元に戻します」。 私たちが興味を持ったのは、さまざまな理論がこの種の相互作用セットアップの結果についてさまざまな動作を予測していたのに、誰もその実験を行ったことがないということでした。」
筆頭著者のアレック・カオは次のように述べています。 「カオスの大まかな考え方は、運動法則は時間可逆的であるにもかかわらず、多粒子系は非常に複雑であり、初期状態に戻すことが事実上不可能な摂動に敏感になる可能性があるということです。 ねじれは、事実上無秩序な（局在化した）状態では、システムが時間反転する能力を失ったにもかかわらず、相互作用によって局在化がいくらか破壊されたということでした。」
サジャド氏はこう言った。 「素朴に、インタラクションによって時間の逆転が台無しになると予想するかもしれませんが、私たちはもっと興味深いものを発見しました。少しのインタラクションが助けになるのです。 これは、この研究の最も驚くべき結果の XNUMX つでした。」
科学者たちは、一次元の状況でより重い原子を使用して同様の結果をもたらした補足的な実験を実行しました。
グプタ氏は、 「ウィスコンシン大学での実験は、25 倍重い原子が XNUMX 次元でのみ移動するように制限された非常に困難な物理領域で行われましたが、定期的なキックによる線形よりも弱いエネルギーの増加も測定し、理論的結果が得られた領域に光を当てました」矛盾していました。」
ウェルド氏はこう言った。 「これらの発見は、多くの重要な物理学の結果と同様に、より多くの疑問をもたらし、より多くの量子カオス実験への道を切り開きます。 量子物理学 暴露されるかもしれない。」
ガリツキーはこうコメントした。 「デイビッドの実験は、より制御された実験室環境でMBLの動的バージョンを調査する最初の試みです。 基本的な問題が何らかの形で明確に解決されたわけではありませんが、データは何か奇妙なことが起こっていることを示しています。」
溶接 と, 「凝縮系における多体局在化に関する非常に大規模な研究の文脈の中で、これらの結果をどのように理解できるでしょうか? この物質の状態をどのように特徴づけることができるでしょうか? システムが非局在化していることが観察されますが、予想される線形時間依存性はありません。 そこで何が起こっているのですか？ 私たちは、これらの疑問やその他の疑問を探求する将来の実験を楽しみにしています。」
ジャーナルリファレンス：
- Toh、JH、McCormick、KC、Tang、X らを参照。 キックされた一次元超低温ガスにおける多体の動的非局在化。 Nat。 Phys。 （2022）。 DOI： 10.1038 / s41567-022-01721-w
