Kicked 양자 시스템은 혼란스러운 행동과 확산 에너지 축적을 나타내는 고전적인 구동 시스템과 달리 에너지 흡수를 제한하고 에르고딕성의 붕괴를 일으키는 동적 국소화의 출현을 나타낼 수 있습니다. 다체 상호 작용이 존재할 때 동적으로 지역화된 상태가 어떻게 진화하는지 오랫동안 불분명했습니다.
물리학자들의 새로운 연구 UC 산타 바바라 메릴랜드 대학과 워싱턴 대학은 오랜 물리학 질문에 대한 답을 찾았습니다. 입자 간 상호 작용이 동적 위치에 미치는 영향은 무엇입니까?
이 질문은 수많은 데이터 유형이 있는 양자 시스템의 물리적 특성을 탐구하는 "다체" 물리학에 관한 것입니다. 다체 문제는 수십 년 동안 연구와 토론의 주제였습니다. 이러한 시스템의 복잡성은 다음과 같은 양자 현상과 함께 위에 놓기 과 얽히게 함, 가능성의 폭이 넓어서 계산만으로는 답하기 어렵습니다.
다행히도 이 문제는 극저온 리튬 원자와 레이저를 사용한 실험 범위를 벗어나지 않았습니다. 따라서 과학자들에 따르면, 이상한 양자 상태 무질서하고 혼란스러운 상황에서 상호 작용을 도입할 때 나타납니다. 양자 시스템.
극저온 원자 물리학 및 양자 시뮬레이션을 전문으로 하는 UCSB의 실험 물리학자인 David Weld(link is external)는 다음과 같이 말했습니다. "어떤 의미에서 고전적 예측과 비상호작용 양자 예측 사이에 있는 속성을 가진 변칙적인 상태입니다."
“이상하고 직관적이지 않은 행동에 관해서는 양자 세계는 실망하지 않습니다. 예를 들어, 에너지 펄스를 받을 때 우리가 기대하는 것과 정확히 같은 동작을 하는 일반 진자를 생각해 봅시다.”
"이따금씩 발로 차고 위아래로 흔들면 클래식 진자가 계속해서 에너지를 흡수하고 여기저기서 흔들리기 시작하고 전체 매개변수 공간을 혼란스럽게 탐색합니다."
양자 시스템의 혼돈은 다르게 보입니다. 이 장애로 인해 입자가 정지할 수 있습니다. 또한 발차기된 양자 진자 또는 "로터"는 반복적인 발차기로 고전적인 진자와 유사하게 발차기에서 에너지를 초기에 흡수할 수 있지만 시스템은 에너지 흡수를 중지하고 운동량 분포는 동적으로 국부화된 상태로 알려진 상태에서 동결됩니다.
이 국부적 상태는 "더러운" 전자 고체의 거동과 매우 유사하며, 무질서는 움직이지 않고 국부화된 전자를 초래합니다. 그것은 고체가 금속 또는 전도체(움직이는 전자)에서 절연체로 전이되도록 합니다.
이러한 국소화 상태는 상호 작용하지 않는 단일 입자의 맥락에서 수십 년 동안 탐구되었지만, 여러 개의 상호 작용하는 전자가 있는 무질서한 시스템에서는 어떤 일이 발생합니까? 이와 같은 질문과 양자 혼돈의 관련 측면은 Weld와 그의 공동 저자인 메릴랜드 대학 이론가인 Victor Galitski가 몇 년 전 Galitski가 Santa Barbara를 방문했을 때 토론하는 동안 염두에 두었습니다.
용접 회상, “Victor는 간섭에 의해 안정화된 이 순수한 상호작용하지 않는 양자 시스템 대신에 이러한 로터가 여러 개 있고 모두 충돌하고 상호 작용하고 상호 작용할 수 있다면 어떻게 되는지에 대한 질문을 제기했습니다. 현지화가 지속됩니까, 아니면 상호 작용으로 인해 현지화가 파괴됩니까?”
갈리츠키는 말했다. "사실, 그것은 통계 역학의 기초 및 에르고딕성의 기본 개념과 관련된 복잡한 질문이며, 이에 따라 대부분의 상호 작용하는 시스템은 결국 보편적인 상태로 열화됩니다."
“뜨거운 커피에 찬 우유를 붓는 것을 잠시 상상해 보십시오. 컵의 입자는 시간이 지남에 따라 상호 작용을 통해 순수하지 않은 균일하고 평형 상태로 정렬됩니다. 뜨거운 커피 또는 차가운 우유. 이러한 유형의 동작(열화)은 모든 상호 작용 시스템에서 예상되었습니다. 즉, 약 16년 전만 해도 양자 시스템의 무질서는 다체 국부화(MBL)를 초래한다고 생각되기 전까지였습니다.”
"올해 초 라스 온사거상(Lars Onsager Prize)에서 인정한 이 현상은 이론적으로나 실험적으로 엄밀하게 증명하기 어렵다."
Weld의 팀은 이 문제를 효과적으로 조명할 수 있는 도구, 기술 및 지식을 갖추고 있습니다. 100,000개의 극저온 리튬 원자가 그들의 실험실에서 가스의 정상파 빛에 매달려 있습니다. 각 원자는 레이저 펄스가 스파크할 수 있는 양자 회전자를 나타냅니다.
Feshbach 공명 도구를 사용하여 과학자들은 원자를 서로 은폐 상태로 유지하거나 임의의 강력한 상호 작용으로 서로 튕겨 나가도록 할 수 있습니다. 손잡이를 돌리면 연구원들은 리튬 원자를 라인 댄스에서 모쉬 피트로 이동시키고 그들의 행동을 포착할 수 있습니다.
예상대로 원자가 서로를 볼 수 없을 때 특정 지점까지 레이저의 반복적인 발차기를 견딜 수 있었고, 그 시간이 지나면 동적으로 국부화된 형태로 움직임을 멈췄습니다. 그러나 과학자들이 상호작용을 증가시키면서 제한된 상태가 사라질 뿐만 아니라 시스템이 반복되는 발차기에서 에너지를 흡수하여 고전적이고 혼란스러운 행동을 시뮬레이션하는 것처럼 보였습니다.
용접이 말했다, "그러나 상호 작용하는 무질서한 양자 시스템이 에너지를 흡수하는 동안 고전 시스템보다 훨씬 느린 속도로 흡수하고 있었습니다."
“우리는 에너지를 흡수하지만 고전적인 시스템만큼 잘 흡수되지 않는 것을 보고 있습니다. 그리고 에너지는 시간에 따라 선형이 아닌 시간의 제곱근에 따라 대략적으로 증가하는 것 같습니다. 따라서 상호 작용은 고전적이지 않습니다. 여전히 변칙적인 비국소화를 나타내는 이상한 양자 상태입니다.”
과학자들은 에코라는 방법을 사용했습니다. 이 방법에서 운동 진화는 상호 작용이 시간 가역성을 직접 파괴하는 방법을 측정하기 위해 앞으로 실행한 다음 뒤로 실행됩니다. 양자 혼돈의 중요한 지표 중 하나는 시간 가역성의 파괴입니다.
리튬 팀의 대학원생 연구원인 공동 저자인 Roshan Sajjad는 다음과 같이 말했습니다. "이에 대해 생각하는 또 다른 방법은 다음과 같이 질문하는 것입니다. 일정 시간 후 시스템에 초기 상태의 메모리가 얼마나 있습니까?"
“미광이나 가스 충돌과 같은 섭동이 없는 상태에서 물리학이 거꾸로 실행되면 시스템은 초기 상태로 돌아갈 수 있어야 합니다. 우리의 실험에서 우리는 킥의 단계를 반대로 하여 시간을 되돌리고 첫 번째 정상적인 킥 세트의 효과를 '실행 취소'합니다. 우리의 매혹 중 일부는 서로 다른 이론이 이러한 유형의 상호 작용 설정의 결과에 대해 서로 다른 행동을 예측했지만 아무도 실험을 해본 적이 없다는 것입니다.”
수석 저자 Alec Cao는 다음과 같이 말했습니다. “혼돈에 대한 대략적인 개념은 운동 법칙이 시간 가역적이라 할지라도 많은 입자 시스템이 초기 상태로 돌아가는 것이 사실상 불가능한 섭동에 너무 복잡하고 민감할 수 있다는 것입니다. 반전은 효과적으로 무질서한(국소화된) 상태에서 시스템이 시간을 되돌릴 수 있는 능력을 상실했음에도 불구하고 상호작용이 국지화를 어느 정도 깨뜨렸다는 것입니다.”
사자드가 말했다. "순진하게도 상호 작용이 시간 역전을 망칠 것이라고 예상할 수 있지만 우리는 더 흥미로운 것을 보았습니다. 약간의 상호 작용이 도움이 된다는 것입니다! 이것은 이 작업의 더 놀라운 결과 중 하나였습니다.”
과학자들은 XNUMX차원 맥락에서 더 무거운 원자를 사용하여 유사한 결과를 생성하는 보완 실험을 실행했습니다.
굽타가 말했다. “UW에서의 실험은 25배 더 무거운 원자가 한 차원에서만 움직이도록 제한되어 있는 매우 어려운 물리적 영역에서 진행되었지만 이론적 결과가 다음과 같은 영역에 빛을 비추는 주기적인 발차기에서 선형보다 약한 에너지 성장을 측정했습니다. 갈등한다.”
용접이 말했다, "많은 중요한 물리학 결과와 마찬가지로 이러한 발견은 더 많은 질문을 던지고 더 많은 양자 혼돈 실험을 위한 길을 열어줍니다. 양자 물리학 적발될 수 있습니다."
Galitski는 다음과 같이 말했습니다. “David의 실험은 보다 통제된 실험실 환경에서 MBL의 동적 버전을 조사하려는 첫 번째 시도입니다. 근본적인 문제를 어떤 식으로든 명확하게 해결하지는 못했지만 데이터는 이상한 일이 진행되고 있음을 보여줍니다.”
용접 말했다, "응축 물질 시스템의 다체 위치 파악에 대한 방대한 작업의 맥락에서 이러한 결과를 어떻게 이해할 수 있습니까? 이 물질 상태를 어떻게 특성화할 수 있습니까? 우리는 시스템이 비편재화되고 있지만 예상되는 선형 시간 의존성이 아님을 관찰합니다. 거기 무슨 일 이죠? 우리는 이러한 질문과 다른 질문을 탐구하는 미래의 실험을 기대하고 있습니다.”
저널 참조 :
- Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. 발로 차 XNUMX차원 극저온 가스에서 다체 동적 비편재화. Nat. 물리. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
