Geschopte kwantumsystemen kunnen de opkomst van dynamische lokalisatie vertonen, die de energieabsorptie beperkt en de afbraak van ergodiciteit veroorzaakt, in tegenstelling tot klassiek aangedreven systemen, die chaotisch gedrag en diffuse energieaccumulatie vertonen. Het is lange tijd onduidelijk geweest hoe dynamisch gelokaliseerde toestanden zich ontwikkelen als er interacties tussen meerdere lichamen bestaan.
Een nieuwe studie door de natuurkundigen van UC Santa Barbara en de Universiteit van Maryland, en ook aan de Universiteit van Washington, hebben een antwoord gevonden op de al lang bestaande natuurkundige vraag: hoe beïnvloeden interacties tussen deeltjes de dynamische lokalisatie?
De vraag heeft betrekking op de ‘veel-lichamen’-fysica, die de fysieke kenmerken van een kwantumsysteem met talloze gegevenstypen onderzoekt. Veellichaamsproblemen zijn al tientallen jaren het onderwerp van onderzoek en discussie. De complexiteit van deze systemen, samen met kwantumfenomenen zoals superpositie en verstrikking, leidt tot een enorm scala aan mogelijkheden, waardoor het moeilijk wordt om alleen via berekeningen te antwoorden.
Gelukkig lag dit probleem niet buiten het bereik van een experiment waarbij ultrakoude lithiumatomen en lasers betrokken waren. Dus, volgens wetenschappers, a vreemde kwantumtoestand komt naar voren wanneer je interactie introduceert in een ongeordende, chaotische situatie kwantum systeem.
David Weld (externe link), een experimenteel natuurkundige aan de UCSB met specialiteiten in ultrakoude atoomfysica en kwantumsimulatie, zei: “Het is een toestand die abnormaal is, met eigenschappen die in zekere zin tussen de klassieke voorspelling en de niet-interactieve kwantumvoorspelling liggen.”
“Als het gaat om vreemd, contra-intuïtief gedrag, stelt de kwantumwereld niet teleur. Neem bijvoorbeeld een gewone slinger, die zich precies zo gedraagt als we verwachten als hij wordt blootgesteld aan energiepulsen.”
“Als je er zo nu en dan tegen schopt en op en neer schudt, zal een klassieke slinger voortdurend energie absorberen, overal heen gaan wiebelen en de hele parameterruimte op chaotische wijze verkennen.”
De chaos in kwantumsystemen lijkt anders. De stoornis kan ervoor zorgen dat deeltjes tot stilstand komen. Bovendien, terwijl een getrapte kwantumslinger of ‘rotor’ aanvankelijk energie uit de trappen kan absorberen, vergelijkbaar met een klassieke slinger, stopt het systeem met herhaalde trappen met het absorberen van energie en bevriest de momentumverdeling in wat bekend staat als een dynamisch gelokaliseerde toestand.
Deze gelokaliseerde toestand is nauw analoog aan het gedrag van een ‘vuile’ elektronische vaste stof, waarbij wanorde resulteert in onbeweeglijke, gelokaliseerde elektronen. Het zorgt ervoor dat een vaste stof overgaat van een metaal of een geleider (bewegende elektronen) naar een isolator.
Hoewel deze staat van lokalisatie al tientallen jaren wordt onderzocht in de context van afzonderlijke, niet-interagerende deeltjes, wat gebeurt er dan in een wanordelijk systeem met meerdere op elkaar inwerkende elektronen? Vragen als deze en aanverwante aspecten van kwantumchaos hielden Weld en zijn co-auteur, Victor Galitski, theoreticus van de Universiteit van Maryland, bezig tijdens een discussie enkele jaren geleden toen Galitski Santa Barbara bezocht.
Weld herinnerde zich, “Victor stelde de vraag wat er gebeurt als je, in plaats van dit pure niet-interactieve kwantumsysteem dat wordt gestabiliseerd door interferentie, een aantal van deze rotoren hebt, en ze allemaal tegen elkaar aan kunnen botsen en met elkaar kunnen communiceren. Blijft de lokalisatie bestaan, of vernietigen de interacties deze?”
Galitski zei: “Inderdaad, het is een ingewikkelde vraag die verband houdt met de fundamenten van de statistische mechanica en het basisbegrip van ergodiciteit, waarbij de meeste op elkaar inwerkende systemen uiteindelijk thermaliseren tot een universele toestand.”
“Stel je eens voor dat je koude melk in hete koffie giet. De deeltjes in je kopje zullen zich in de loop van de tijd en door hun interacties in een uniforme, evenwichtstoestand ordenen die niet puur is warme koffie of koude melk. Dit soort gedrag – thermalisatie – werd verwacht van alle op elkaar inwerkende systemen. Dat wil zeggen, tot ongeveer 16 jaar geleden, toen werd beweerd dat wanorde in een kwantumsysteem zou leiden tot lokalisatie van meerdere lichamen (MBL).
“Dit fenomeen, dat eerder dit jaar werd erkend door de Lars Onsager-prijs, is theoretisch of experimenteel moeilijk te bewijzen.”
Het team van Weld beschikt over het gereedschap, de technologie en de kennis om effectief licht op de zaak te werpen. 100,000 ultrakoude lithiumatomen zijn in hun laboratorium in een staande lichtgolf in gas gesuspendeerd. Elk atoom vertegenwoordigt een kwantumrotor die door laserpulsen kan worden aangewakkerd.
Met behulp van een Feshbach-resonantie-instrument kunnen wetenschappers de atomen voor elkaar verborgen houden of ze tegen elkaar laten stuiteren met willekeurig sterke interacties. Met een draai aan de knop konden de onderzoekers de lithiumatomen van line dance naar mosh pit laten gaan en hun gedrag vastleggen.
Zoals verwacht waren de atomen, toen ze elkaar niet konden zien, tot een bepaald punt in staat herhaalde trappen van de laser te weerstaan, waarna ze ophielden met bewegen in hun dynamisch gelokaliseerde vorm. Naarmate de wetenschappers echter de interactie vergrootten, verdween niet alleen de opgesloten toestand, maar leek het er ook op dat het systeem de energie van de herhaalde trappen absorbeerde, waardoor klassiek, chaotisch gedrag werd gesimuleerd.
Las zei, “Hoewel het op elkaar inwerkende, wanordelijke kwantumsysteem energie absorbeerde, deed het dit in een veel langzamer tempo dan een klassiek systeem.”
“We zien iets dat energie absorbeert, maar niet zo goed als een klassiek systeem dat kan. En het lijkt erop dat de energie ruwweg groeit met de vierkantswortel van de tijd in plaats van lineair met de tijd. De interacties maken het dus niet klassiek; het is nog steeds een vreemde kwantumtoestand die een abnormale niet-lokalisatie vertoont.”
Wetenschappers gebruikten een methode genaamd echo. Bij deze methode wordt de kinetische evolutie vooruit en vervolgens achteruit uitgevoerd om te meten hoe interacties de tijdomkeerbaarheid direct vernietigen. Een cruciale indicator van kwantumchaos is de vernietiging van de omkeerbaarheid van de tijd.
Co-auteur Roshan Sajjad, een afgestudeerde student-onderzoeker bij het lithiumteam, zei: “Een andere manier om hierover na te denken is door te vragen: hoeveel geheugen van de begintoestand heeft het systeem na enige tijd?”
“Als er geen sprake is van verstoringen zoals strooilicht of gasbotsingen, zou het systeem in staat moeten zijn terug te keren naar de oorspronkelijke staat als de fysica achteruit wordt gegaan. In ons experiment keren we de tijd om door de fase van de trappen om te draaien, waardoor de effecten van de eerste normale reeks trappen ‘ongedaan worden gemaakt’. Een deel van onze fascinatie was dat verschillende theorieën verschillend gedrag hadden voorspeld op basis van de uitkomst van dit soort interactie, maar dat niemand het experiment ooit had gedaan.”
Hoofdauteur Alec Cao zei: “Het ruwe idee van chaos is dat, ook al zijn de bewegingswetten in de tijd omkeerbaar, een systeem met veel deeltjes zo ingewikkeld en gevoelig voor verstoringen kan zijn dat het praktisch onmogelijk is om terug te keren naar de oorspronkelijke staat. De twist was dat in een effectief ongeordende (gelokaliseerde) toestand de interacties de lokalisatie enigszins verbraken, zelfs toen het systeem zijn vermogen om de tijd terug te draaien verloor.”
Sajjad zei: “Naïef zou je verwachten dat interacties de omkering van de tijd zouden verpesten, maar we zagen iets interessanters: een beetje interactie helpt! Dit was een van de meest verrassende resultaten van dit werk.”
Wetenschappers voerden een aanvullend experiment uit dat vergelijkbare resultaten opleverde met behulp van zwaardere atomen in een eendimensionale context.
Gupta zei: “De experimenten bij UW werkten in een zeer moeilijk fysisch regime met 25 keer zwaardere atomen die beperkt waren tot beweging in slechts één dimensie, maar maten ook een zwakker dan lineaire energiegroei door periodiek schoppen, wat licht werpt op een gebied waar theoretische resultaten hebben plaatsgevonden. in conflict.”
Las zei, “Deze bevindingen openen, net als veel belangrijke natuurkundige resultaten, meer vragen en maken de weg vrij voor meer kwantumchaos-experimenten, waarbij de felbegeerde link tussen klassieke en kwantumfysica kan worden blootgelegd.”
Galitski merkte op: “Davids experiment is de eerste poging om een dynamische versie van MBL te onderzoeken in een meer gecontroleerde laboratoriumomgeving. Hoewel het de fundamentele vraag op de een of andere manier niet ondubbelzinnig heeft opgelost, laten de gegevens zien dat er iets vreemds aan de hand is.”
Lassen zei, “Hoe kunnen we deze resultaten begrijpen in de context van het zeer grote oeuvre over de lokalisatie van veel lichamen in systemen van gecondenseerde materie? Hoe kunnen we deze toestand van de materie karakteriseren? We zien dat het systeem aan het delokaliseren is, maar niet met de verwachte lineaire tijdsafhankelijkheid; wat gebeurt er daar? We kijken uit naar toekomstige experimenten waarin deze en andere vragen worden onderzocht.”
Journal Reference:
- Zie Toh, J.H., McCormick, K.C., Tang, X. et al. Dynamische delokalisatie van veel lichamen in een eendimensionaal ultrakoud gas. nat. Fysio. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
