Wykopane układy kwantowe mogą wykazywać pojawienie się lokalizacji dynamicznej, która ogranicza absorpcję energii i powoduje załamanie ergodyczności, w przeciwieństwie do klasycznych układów napędzanych, które wykazują chaotyczne zachowanie i dyfuzyjną akumulację energii. Od dawna nie było jasne, w jaki sposób dynamicznie zlokalizowane stany ewoluują, gdy istnieją interakcje wielu ciał.
Nowe badanie przeprowadzone przez fizyków z UC Santa Barbara i Uniwersytet Maryland, a także Uniwersytet Waszyngtoński, znalazły odpowiedź na zadawane od dawna pytanie z fizyki: w jaki sposób interakcje międzycząstkowe wpływają na dynamiczną lokalizację?
Pytanie dotyczy fizyki „wielu ciał”, która bada właściwości fizyczne układu kwantowego z wieloma typami danych. Problemy wielu ciał są przedmiotem badań i dyskusji od dziesięcioleci. Złożoność tych układów wraz ze zjawiskami kwantowymi, takimi jak nałożenie i uwikłanie, prowadzi do szerokiego zakresu możliwości, co utrudnia udzielenie odpowiedzi na podstawie samych obliczeń.
Na szczęście problem ten nie wykraczał poza zasięg eksperymentu z udziałem ultrazimnych atomów litu i laserów. Zatem według naukowców a dziwny stan kwantowy pojawia się, gdy interakcję wprowadza się w sposób nieuporządkowany, chaotyczny układ kwantowy.
David Weld (link is external), fizyk eksperymentalny na UCSB, specjalizujący się w fizyce ultrazimnej atomu i symulacji kwantowej, powiedział: „To stan anomalny, którego właściwości w pewnym sensie mieszczą się pomiędzy przewidywaniem klasycznym a przewidywaniem nieoddziałującym kwantowo”.
„Jeśli chodzi o dziwne, sprzeczne z intuicją zachowanie, świat kwantowy nie zawodzi. Weźmy na przykład zwykłe wahadło, które pod wpływem impulsów energii zachowuje się dokładnie tak, jak tego oczekujemy.
„Jeśli kopniesz je i potrząsasz od czasu do czasu w górę i w dół, klasyczne wahadło będzie stale absorbować energię, zacznie się kręcić i chaotycznie eksplorować całą przestrzeń parametrów”.
Chaos w układach kwantowych wydaje się inny. Zaburzenie może powodować zatrzymanie cząstek. Dodatkowo, chociaż kopnięte wahadło kwantowe, czyli „wirnik”, może początkowo absorbować energię z kopnięć, podobnie jak wahadło klasyczne, z powtarzającymi się kopnięciami, system przestaje absorbować energię, a rozkład pędu zamarza w tak zwanym stanie dynamicznie zlokalizowanym.
Ten zlokalizowany stan jest ściśle analogiczny do zachowania „brudnej” bryły elektronicznej, w której zaburzenie skutkuje powstaniem nieruchomych, zlokalizowanych elektronów. Powoduje przejście ciała stałego z metalu lub przewodnika (poruszających się elektronów) w izolator.
Chociaż ten stan lokalizacji bada się od dziesięcioleci w kontekście pojedynczych, nieoddziałujących cząstek, co dzieje się w nieuporządkowanym układzie z wieloma oddziałującymi elektronami? Tego typu pytania i powiązane aspekty chaosu kwantowego zaprzątały umysły Welda i jego współautora, teoretyka z Uniwersytetu Maryland, Victora Galitskiego, podczas dyskusji kilka lat temu, kiedy Galitski odwiedzał Santa Barbara.
Spoina wycofana, „Victor postawił pytanie, co się stanie, jeśli zamiast czystego, nieoddziałującego układu kwantowego, który jest stabilizowany przez zakłócenia, będzie kilka takich wirników, z których wszystkie będą mogły się zderzać, wchodzić w interakcje i wchodzić w interakcje ze sobą. Czy lokalizacja się utrzymuje, czy też interakcje ją niszczą?”
Galicki powiedział, „Istotnie, jest to skomplikowane pytanie, które wiąże się z podstawami mechaniki statystycznej i podstawowym pojęciem ergodyczności, zgodnie z którym większość oddziałujących systemów ostatecznie termalizuje się w stan uniwersalny”.
„Wyobraźcie sobie przez chwilę, że do gorącej kawy nalewacie zimne mleko. Cząsteczki w twoim kubku z biegiem czasu i poprzez swoje interakcje ułożą się w jednolity stan równowagi, który nie jest ani czysto gorąca kawa lub zimne mleko. Tego typu zachowania – termalizacji – oczekiwano od wszystkich oddziałujących ze sobą systemów. To znaczy aż do około 16 lat temu, kiedy sądzono, że zaburzenia w układzie kwantowym powodują lokalizację wielu ciał (MBL).
„Zjawisko to, docenione na początku tego roku Nagrodą Larsa Onsagera, jest trudne do udowodnienia rygorystycznie teoretycznie lub eksperymentalnie”.
Zespół Weld dysponuje narzędziami, technologią i wiedzą, aby skutecznie rzucić światło na tę kwestię. W ich laboratorium 100,000 XNUMX ultrazimnych atomów litu zawieszonych jest w stojącej fali światła w gazie. Każdy atom reprezentuje wirnik kwantowy, który mogą wywołać impulsy laserowe.
Korzystając z narzędzia rezonansu Feshbacha, naukowcy mogą ukryć atomy przed sobą lub sprawić, że odbijają się od siebie w wyniku dowolnie silnych interakcji. Za pomocą pokrętła badacze mogli sprawić, że atomy litu przejdą z tańca liniowego do mosh pitu i uchwycić ich zachowanie.
Zgodnie z przewidywaniami, gdy atomy nie mogły się widzieć, były w stanie wytrzymać powtarzające się kopnięcia lasera aż do pewnego punktu, kiedy to przestały się poruszać w swojej dynamicznie zlokalizowanej formie. Jednak w miarę zwiększania interakcji przez naukowców nie tylko stan zamknięcia zniknął, ale wydawało się również, że system pochłania energię z powtarzających się kopnięć, symulując klasyczne, chaotyczne zachowanie.
Spaw powiedział, „Jednak chociaż oddziałujący nieuporządkowany układ kwantowy pochłaniał energię, robił to znacznie wolniej niż w przypadku układu klasycznego”.
„Widzimy coś, co pochłania energię, ale nie tak dobrze, jak klasyczny system. I wygląda na to, że energia rośnie w przybliżeniu wraz z pierwiastkiem kwadratowym z czasu, a nie liniowo z czasem. Zatem interakcje nie czynią go klasycznym; to wciąż dziwny stan kwantowy wykazujący anomalną nielokalizację.”
Naukowcy zastosowali metodę zwaną echem. W tej metodzie ewolucja kinetyczna przebiega do przodu, a następnie do tyłu, aby zmierzyć, w jaki sposób interakcje bezpośrednio niszczą odwracalność czasu. Jednym z kluczowych wskaźników chaosu kwantowego jest zniszczenie odwracalności czasu.
Współautor Roshan Sajjad, doktorant w zespole zajmującym się litem, powiedział: „Innym sposobem myślenia o tym jest pytanie: ile pamięci o stanie początkowym będzie miał system po pewnym czasie?”
„W przypadku braku jakichkolwiek zakłóceń, takich jak zderzenia światła rozproszonego lub gazu, system powinien być w stanie powrócić do stanu początkowego, jeśli cofniemy fizykę. W naszym eksperymencie odwracamy czas, odwracając fazę kopnięć, „cofując” skutki pierwszej normalnej serii kopnięć. Częścią naszej fascynacji było to, że różne teorie przewidywały różne zachowania w wyniku tego typu interakcji, ale nikt nigdy nie przeprowadził takiego eksperymentu”.
Główny autor Alec Cao powiedział: „Ogólna koncepcja chaosu jest taka, że chociaż prawa ruchu są odwracalne w czasie, układ wielocząstkowy może być tak skomplikowany i wrażliwy na zakłócenia, że powrót do stanu początkowego jest praktycznie niemożliwy. Rzecz w tym, że w skutecznie nieuporządkowanym (zlokalizowanym) stanie interakcje nieco zakłóciły lokalizację, nawet gdy system utracił zdolność do cofania czasu.
Sajjad powiedział, „Naiwnie można by oczekiwać, że interakcje zrujnują odwrócenie czasu, ale zobaczyliśmy coś bardziej interesującego: odrobina interakcji pomaga! To był jeden z bardziej zaskakujących rezultatów tej pracy.”
Naukowcy przeprowadzili uzupełniający eksperyment, który dał podobne wyniki, używając cięższych atomów w kontekście jednowymiarowym.
Gupta powiedział: „Eksperymenty na UW odbywały się w bardzo trudnym reżimie fizycznym, w którym 25-krotnie cięższe atomy mogły poruszać się tylko w jednym wymiarze, ale jednocześnie mierzono słabszy niż liniowy wzrost energii w wyniku okresowych kopnięć, rzucając światło na obszar, w którym teoretyczne wyniki sprzeczne.”
Spaw powiedział, „Te odkrycia, podobnie jak wiele ważnych wyników fizyki, otwierają więcej pytań i torują drogę do większej liczby eksperymentów z chaosem kwantowym, w których pożądane powiązanie między klasyką i fizyka kwantowa mogą zostać odkryte.”
Galicki skomentował, „Eksperyment Davida jest pierwszą próbą zbadania dynamicznej wersji MBL w bardziej kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Choć nie rozwiązało to jednoznacznie zasadniczej kwestii w ten czy inny sposób, dane pokazują, że dzieje się coś dziwnego”.
Spawać powiedziany, „Jak możemy zrozumieć te wyniki w kontekście bardzo dużego zbioru prac nad lokalizacją wielu ciał w układach materii skondensowanej? Jak możemy scharakteryzować ten stan materii? Obserwujemy, że system ulega delokalizacji, ale nie z oczekiwaną liniową zależnością od czasu; co się tam dzieje? Z niecierpliwością czekamy na przyszłe eksperymenty badające te i inne pytania”.
Referencje czasopisma:
- Patrz Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. i in. Dynamiczna delokalizacja wielu ciał w kopanym jednowymiarowym ultrazimnym gazie. Nat. Fizyka. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
