Kicked quantum systems kan vise fremveksten av dynamisk lokalisering, som begrenser energiabsorpsjon og forårsaker nedbrytning av ergodisitet, i motsetning til klassiske drevne systemer, som viser kaotisk oppførsel og diffusiv energiakkumulering. Det har lenge vært uklart hvordan dynamisk lokaliserte tilstander utvikler seg når mange-kroppsinteraksjoner eksisterer.
En ny studie av fysikerne ved UC Santa Barbara og University of Maryland, og også ved University of Washington, har funnet et svar på det mangeårige fysikkspørsmålet: Hvordan påvirker interpartikkelinteraksjoner dynamisk lokalisering?
Spørsmålet gjelder "mangekropps"-fysikk, som utforsker de fysiske egenskapene til et kvantesystem med mange datatyper. Mange kroppsproblemer har vært gjenstand for forskning og diskusjon i flere tiår. Kompleksiteten til disse systemene, sammen med kvantefenomener som super og forviklinger, fører til et stort spekter av muligheter, noe som gjør det vanskelig å svare gjennom beregning alene.
Heldigvis var dette problemet ikke utenfor rekkevidden til et eksperiment som involverte ultrakalde litiumatomer og lasere. Så ifølge forskere, en merkelig kvantetilstand dukker opp når du introduserer interaksjon i en uordnet, kaotisk kvantesystem.
David Weld (link is external), en eksperimentell fysiker ved UCSB med spesialiteter i ultrakald atomfysikk og kvantesimulering sa, "Det er en tilstand som er unormal, med egenskaper som på en eller annen måte ligger mellom den klassiske prediksjonen og den ikke-interagerende kvanteprediksjonen."
"Når det kommer til merkelig, kontraintuitiv oppførsel, skuffer ikke kvanteverdenen. Ta for eksempel en vanlig pendel, som ville oppføre seg akkurat slik vi forventer at den skal når den blir utsatt for energipulser.»
"Hvis du sparker den og rister den opp og ned av og til, vil en klassisk pendel kontinuerlig absorbere energi, begynne å vrikke over alt og utforske hele parameterrommet kaotisk."
Kaoset i kvantesystemer virker annerledes. Uorden kan føre til at partikler står stille. I tillegg, mens en sparket kvantependel eller "rotor" i utgangspunktet kan absorbere energi fra sparkene, lik en klassisk pendel, med gjentatte spark, slutter systemet å absorbere energi, og momentumfordelingen fryser i det som er kjent som en dynamisk lokalisert tilstand.
Denne lokaliserte tilstanden er nær analog med oppførselen til et "skittent" elektronisk fast stoff, der lidelse resulterer i immobile, lokaliserte elektroner. Det får et fast stoff til å gå fra å være et metall, eller en leder (elektroner i bevegelse), til en isolator.
Mens denne lokaliseringstilstanden har blitt utforsket i flere tiår i sammenheng med enkeltstående, ikke-interagerende partikler, hva skjer i et uordnet system med flere interagerende elektroner? Spørsmål som dette og relaterte aspekter av kvantekaos var på hodet til Weld og hans medforfatter, University of Maryland-teoretiker Victor Galitski, under en diskusjon for flere år siden da Galitski besøkte Santa Barbara.
Weld husket, "Victor reiste spørsmålet om hva som skjer hvis du, i stedet for dette rene ikke-interagerende kvantesystemet som er stabilisert av interferens, har en haug med disse rotorene, og de kan alle støte på og samhandle med og samhandle med hverandre. Vedvarer lokaliseringen, eller ødelegger interaksjonene den?»
Galitski sa, "Det er faktisk et komplisert spørsmål som er relatert til grunnlaget for statistisk mekanikk og den grunnleggende forestillingen om ergodisitet, der de fleste samvirkende systemer til slutt termaliseres til en universell tilstand."
«Tenk deg et øyeblikk å helle kald melk i varm kaffe. Partiklene i koppen din vil over tid og gjennom deres interaksjoner ordne seg til en ensartet likevektstilstand som verken er ren varm kaffe eller kald melk. Denne typen atferd - termalisering - ble forventet av alle samvirkende systemer. Det vil si, inntil for rundt 16 år siden da det ble hevdet at forstyrrelser i et kvantesystem ble antatt å resultere i mangekroppslokalisering (MBL).
"Dette fenomenet, anerkjent av Lars Onsager-prisen tidligere i år, er vanskelig å bevise teoretisk eller eksperimentelt strengt."
Welds team har verktøyet, teknologien og kunnskapen til effektivt å kaste lys over saken. 100,000 XNUMX ultrakalde litiumatomer er suspendert i en stående bølge av lys i gass i laboratoriet deres. Hvert atom representerer en kvanterotor som laserpulser kan utløse.
Ved å bruke et Feshbach-resonansverktøy kan forskere holde atomene tildekket fra hverandre eller få dem til å sprette av hverandre med vilkårlig sterke interaksjoner. Med en vri på knappen kunne forskerne få litiumatomene til å gå fra linedance til mosh pit og fange oppførselen deres.
Som forventet, når atomene ikke var i stand til å se hverandre, var de i stand til å motstå gjentatte spark fra laseren til et visst punkt, da de sluttet å bevege seg i sin dynamisk lokaliserte form. Men etter hvert som forskerne økte samspillet, forsvant ikke bare den begrensede tilstanden, men det virket også som at systemet absorberte energien fra de gjentatte sparkene, og simulerte klassisk, kaotisk oppførsel.
Weld sa, "Men mens det interagerende forstyrrede kvantesystemet absorberte energi, gjorde det det i en mye langsommere hastighet enn et klassisk system."
"Vi ser noe som absorberer energi, men ikke så godt som et klassisk system kan. Og det virker som om energien vokser omtrent med kvadratroten av tid i stedet for lineært med tiden. Så interaksjonene gjør det ikke klassisk; det er fortsatt en merkelig kvantetilstand som viser unormal ikke-lokalisering.»
Forskere brukte en metode kalt ekko. I denne metoden kjøres den kinetiske evolusjonen fremover og deretter bakover for å måle hvordan interaksjoner ødelegger tidsreversibiliteten direkte. En avgjørende indikator på kvantekaos er ødeleggelsen av tidsreversibilitet.
Medforfatter Roshan Sajjad, en doktorgradsstudent i litiumteamet, sa: "En annen måte å tenke på dette er å spørre: Hvor mye minne av den opprinnelige tilstanden har systemet etter en tid?"
"I fravær av forstyrrelser som strølys eller gasskollisjoner, bør systemet være i stand til å gå tilbake til sin opprinnelige tilstand hvis fysikken kjøres bakover. I vårt eksperiment snur vi tiden ved å reversere fasen av sparkene, og "oppheve" effekten av det første normale settet med spark. En del av fascinasjonen vår var at forskjellige teorier hadde spådd ulik atferd på utfallet av denne typen interaksjonsoppsett, men ingen hadde noen gang gjort eksperimentet.»
Hovedforfatter Alec Cao sa, "Den grove ideen om kaos er at selv om bevegelseslovene er tidsreversible, kan et system med mange partikler være så komplisert og følsomt for forstyrrelser at det er praktisk talt umulig å returnere til sin opprinnelige tilstand. Vrien var at i en effektivt uordnet (lokalisert) tilstand, brøt interaksjonene lokaliseringen noe selv om systemet mistet sin evne til å reverseres i tid.»
Sajjad sa, "Naivt nok forventer du at interaksjoner vil ødelegge tidsreversering, men vi så noe mer interessant: Litt interaksjon hjelper! Dette var et av de mer overraskende resultatene av dette arbeidet.»
Forskere kjørte et komplementært eksperiment som ga lignende resultater ved å bruke tyngre atomer i en endimensjonal sammenheng.
Gupta sa, "Eksperimentene ved UW opererte i et veldig vanskelig fysisk regime med 25 ganger tyngre atomer begrenset til å bevege seg i bare én dimensjon, men målte også svakere enn lineær energivekst fra periodisk spark, og kastet lys over et område der teoretiske resultater har i konflikt."
Weld sa, "disse funnene, som mange viktige fysikkresultater, åpner for flere spørsmål og baner vei for flere kvantekaoseksperimenter, der den ettertraktede koblingen mellom klassisk og kvantefysikken kan bli avdekket."
Galitski kommenterte, "Davids eksperiment er det første forsøket på å undersøke en dynamisk versjon av MBL i en mer kontrollert laboratoriesetting. Selv om det ikke entydig har løst det grunnleggende spørsmålet på en eller annen måte, viser dataene at noe rart er på gang."
Sveise sa, "Hvordan kan vi forstå disse resultatene i sammenheng med det svært store arbeidet med lokalisering av mange kropper i systemer med kondensert materie? Hvordan kan vi karakterisere denne materietilstanden? Vi observerer at systemet delokaliserer, men ikke med forventet lineær tidsavhengighet; hva skjer der? Vi ser frem til fremtidige eksperimenter som utforsker disse og andre spørsmål.»
Tidsreferanse:
- Se Toh, J.H., McCormick, K.C., Tang, X. et al. Mange-kropps dynamisk delokalisering i en sparket endimensjonal ultrakald gass. Nat. Fys. (2022). GJØR JEG: 10.1038 / s41567-022-01721-w
