Sistemele cuantice kicked pot afișa apariția localizării dinamice, care restricționează absorbția de energie și provoacă defalcarea ergodicității, spre deosebire de sistemele clasice conduse, care prezintă un comportament haotic și acumulare de energie difuză. Nu a fost de mult timp clar cum evoluează stările localizate dinamic atunci când există interacțiuni cu mai multe corpuri.
Un nou studiu realizat de fizicienii de la UC Santa Barbara și Universitatea din Maryland, și, de asemenea, la Universitatea din Washington, au găsit un răspuns la întrebarea de lungă durată a fizicii: Cum afectează interacțiunile dintre particule localizarea dinamică?
Întrebarea se referă la fizica „cu mai multe corpuri”, care explorează caracteristicile fizice ale unui sistem cuantic cu numeroase tipuri de date. Problemele cu mai multe corpuri au făcut obiectul cercetării și discuțiilor de zeci de ani. Complexitatea acestor sisteme, împreună cu fenomene cuantice precum suprapunere și rețea de sârmă ghimpată, conduce la o gamă largă de posibilități, ceea ce face dificil să se răspundă doar prin calcul.
Din fericire, această problemă nu a fost dincolo de atingerea unui experiment care a implicat atomi de litiu ultrareci și lasere. Deci, conform oamenilor de știință, a stare cuantică ciudată apare atunci când introduceți interacțiunea într-un mod dezordonat, haotic sistem cuantic.
David Weld(link is external), un fizician experimental la UCSB cu specialități în fizică atomică ultrarece și simulare cuantică a spus: „Este o stare anormală, cu proprietăți care, într-un fel, se află între predicția clasică și predicția cuantică care nu interacționează.”
„Când vine vorba de comportament ciudat, contraintuitiv, lumea cuantică nu dezamăgește. Să luăm, de exemplu, un pendul obișnuit, care s-ar comporta exact așa cum ne așteptăm când este supus impulsurilor de energie.”
„Dacă îl dai cu piciorul și îl scuturi în sus și în jos din când în când, un pendul clasic va absorbi continuu energie, va începe să se mișoare peste tot și să exploreze întreg spațiul parametrilor în mod haotic.”
Haosul din sistemele cuantice pare diferit. Tulburarea poate determina oprirea particulelor. În plus, în timp ce un pendul cuantic cu picior sau „rotor” poate absorbi inițial energie din lovituri, similar cu un pendul clasic, cu lovituri repetate, sistemul nu mai absoarbe energie, iar distribuția impulsului îngheață în ceea ce este cunoscut ca o stare localizată dinamic.
Această stare localizată este strâns analogă cu comportamentul unui solid electronic „murdar”, în care dezordinea are ca rezultat electroni imobili, localizați. Face ca un solid să treacă de la a fi un metal sau un conductor (electroni în mișcare) la un izolator.
În timp ce această stare de localizare a fost explorată de zeci de ani în contextul particulelor unice, care nu interacționează, ce se întâmplă într-un sistem dezordonat cu electroni multipli care interacționează? Întrebări ca aceasta și aspecte legate de haosul cuantic au fost în mintea lui Weld și a coautorului său, teoreticianul de la Universitatea din Maryland, Victor Galitski, în timpul unei discuții în urmă cu câțiva ani, când Galitski vizita Santa Barbara.
Weld a amintit, „Victor a pus întrebarea ce se întâmplă dacă, în loc de acest sistem cuantic pur neinteracționat, care este stabilizat prin interferență, aveți o grămadă de acești rotori și toți se pot ciocni, interacționa și interacționa unul cu celălalt. Localizarea persistă sau interacțiunile o distrug?”
Galitski a spus: „Într-adevăr, este o întrebare complicată care se referă la bazele mecanicii statistice și la noțiunea de bază a ergodicității, prin care majoritatea sistemelor care interacționează se transformă în cele din urmă într-o stare universală.”
„Imaginați-vă pentru o clipă turnând lapte rece în cafea fierbinte. Particulele din ceașcă, în timp și prin interacțiunile lor, se vor aranja într-o stare uniformă, de echilibru, care nu este nici pur. cafea fierbinte sau lapte rece. Acest tip de comportament - termalizarea - era de așteptat de la toate sistemele care interacționează. Adică, până acum aproximativ 16 ani, când s-a susținut că dezordinea într-un sistem cuantic se credea că are ca rezultat localizarea mai multor corpuri (MBL).”
„Acest fenomen, recunoscut de Premiul Lars Onsager la începutul acestui an, este dificil de demonstrat teoretic sau experimental în mod riguros.”
Echipa Weld are instrumentul, tehnologia și cunoștințele necesare pentru a face lumină în mod eficient asupra problemei. 100,000 de atomi de litiu ultra-reci sunt suspendați într-un val staționar de lumină în gaz în laboratorul lor. Fiecare atom reprezintă un rotor cuantic pe care impulsurile laser îl pot declanșa.
Folosind un instrument de rezonanță Feshbach, oamenii de știință pot păstra atomii ascunși unul de celălalt sau îi pot face să sară unul de celălalt cu interacțiuni arbitrar puternice. Cu o rotire a butonului, cercetătorii au putut face ca atomii de litiu să treacă de la dans la linie la mosh pit și să le captureze comportamentele.
După cum era de așteptat, atunci când atomii nu au putut să se vadă unul pe altul, au fost capabili să reziste la loviturile repetate ale laserului până la un anumit punct, moment în care au încetat să se miște în forma lor localizată dinamic. Cu toate acestea, pe măsură ce oamenii de știință au sporit interacțiunea, nu numai că starea închisă a dispărut, dar părea și că sistemul absoarbe energia din loviturile repetate, simulând comportamentul clasic, haotic.
Weld a spus, „Cu toate acestea, în timp ce sistemul cuantic dezordonat care interacționa absorbea energie, o făcea într-un ritm mult mai lent decât ar fi un sistem clasic.”
„Vedem ceva care absoarbe energie, dar nu la fel de bine cum poate un sistem clasic. Și se pare că energia crește aproximativ cu rădăcina pătrată a timpului, nu liniar cu timpul. Deci interacțiunile nu o fac clasică; este încă o stare cuantică ciudată care prezintă o nelocalizare anormală.”
Oamenii de știință au folosit o metodă numită ecou. În această metodă, evoluția cinetică este rulată înainte și apoi înapoi pentru a măsura modul în care interacțiunile distrug direct reversibilitatea timpului. Un indicator crucial al haosului cuantic este distrugerea reversibilității în timp.
Coautorul Roshan Sajjad, cercetător absolvent al echipei de litiu, a spus: „Un alt mod de a te gândi la acest lucru este să întrebi: Câtă memorie din starea inițială are sistemul după un timp?”
„În absența oricăror perturbații, cum ar fi lumina parazită sau coliziunile cu gaze, sistemul ar trebui să poată reveni la starea inițială dacă fizica este rulată înapoi. În experimentul nostru, inversăm timpul inversând faza loviturilor, „anulând” efectele primului set normal de lovituri. O parte din fascinația noastră a fost că diferite teorii au prezis comportamente diferite asupra rezultatului acestui tip de configurație de interacțiune, dar nimeni nu a făcut niciodată experimentul.”
Autorul principal Alec Cao a spus: „Ideea aproximativă a haosului este că, deși legile mișcării sunt reversibile în timp, un sistem cu mai multe particule poate fi atât de complicat și sensibil la perturbări, încât este practic imposibil de revenit la starea sa inițială. Întorsătura a fost că, într-o stare efectiv dezordonată (localizată), interacțiunile au rupt localizarea oarecum, chiar dacă sistemul și-a pierdut capacitatea de a fi inversat în timp.”
Sajjad a spus: „În mod naiv, te-ai aștepta ca interacțiunile să strice inversarea timpului, dar am văzut ceva mai interesant: o mică interacțiune ajută! Acesta a fost unul dintre cele mai surprinzătoare rezultate ale acestei lucrări.”
Oamenii de știință au efectuat un experiment complementar care a produs rezultate similare folosind atomi mai grei într-un context unidimensional.
Gupta a spus, „Experimentele de la UW au funcționat într-un regim fizic foarte dificil, cu atomi de 25 de ori mai grei restricționați să se miște doar într-o singură dimensiune, dar au măsurat și o creștere a energiei mai slabă decât liniară din loviri periodice, aruncând lumină asupra unei zone în care rezultatele teoretice au conflictuală.”
Weld a spus, „Aceste descoperiri, la fel ca multe rezultate importante ale fizicii, deschid mai multe întrebări și deschid calea pentru mai multe experimente de haos cuantic, unde râvnita legătură dintre clasic și fizica cuantica poate fi descoperit.”
Galitski a comentat, „Experimentul lui David este prima încercare de a sonda o versiune dinamică a MBL într-un cadru de laborator mai controlat. Deși nu a rezolvat fără ambiguitate întrebarea fundamentală într-un fel sau altul, datele arată că ceva ciudat se întâmplă.”
Sudură a spus, „Cum putem înțelege aceste rezultate în contextul unui corp foarte mare de lucrări privind localizarea mai multor corpuri în sisteme de materie condensată? Cum putem caracteriza această stare a materiei? Observăm că sistemul se delocalizează, dar nu cu dependența de timp liniară așteptată; ce se intampla acolo? Așteptăm cu nerăbdare experimentele viitoare care să exploreze aceste și alte întrebări.”
Referința jurnalului:
- Vezi Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. şi colab. Delocalizare dinamică a mai multor corpuri într-un gaz ultrarece unidimensional. Nat. Fizic. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
