Ударные квантовые системы могут проявлять динамическую локализацию, которая ограничивает поглощение энергии и вызывает нарушение эргодичности, в отличие от классических управляемых систем, которые демонстрируют хаотическое поведение и диффузионное накопление энергии. Долгое время было неясно, как развиваются динамически локализованные состояния, когда существуют взаимодействия многих тел.
Новое исследование физиков из UC Santa Barbara и Университет Мэриленда, а также Вашингтонский университет нашли ответ на давний вопрос физики: как межчастичные взаимодействия влияют на динамическую локализацию?
Вопрос относится к физике «многих тел», которая исследует физические характеристики квантовой системы с многочисленными типами данных. Проблемы многих тел были предметом исследований и дискуссий на протяжении десятилетий. Сложность этих систем, наряду с квантовыми явлениями, такими как суперпозиция и запутанность, приводит к широкому спектру возможностей, что затрудняет ответ только с помощью вычислений.
К счастью, эта проблема не вышла за рамки эксперимента с участием ультрахолодных атомов лития и лазеров. Так, по мнению учёных, странное квантовое состояние возникает, когда вы вводите взаимодействие в неупорядоченный, хаотичный квантовая система.
Дэвид Уэлд (внешняя ссылка), физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Калифорнии, специализирующийся на ультрахолодной атомной физике и квантовом моделировании, сказал: «Это аномальное состояние со свойствами, которые в некотором смысле лежат между классическим предсказанием и невзаимодействующим квантовым предсказанием».
«Когда дело доходит до странного, нелогичного поведения, квантовый мир не разочаровывает. Возьмем, к примеру, обычный маятник, который будет вести себя именно так, как мы ожидаем, когда подвергаемся воздействию энергетических импульсов».
«Если вы будете время от времени пинать его и трясти вверх и вниз, классический маятник будет непрерывно поглощать энергию, начнет раскачиваться повсюду и хаотично исследовать все пространство параметров».
Хаос в квантовых системах выглядит иначе. Беспорядок может привести к остановке частиц. Кроме того, хотя квантовый маятник или «ротор» с толчком может первоначально поглощать энергию от толчков, подобно классическому маятнику, при повторных толчках система перестает поглощать энергию, и распределение импульса замирает в так называемом динамически локализованном состоянии.
Это локализованное состояние очень похоже на поведение «грязного» электронного твердого тела, в котором беспорядок приводит к неподвижным, локализованным электронам. Это приводит к тому, что твердое тело превращается из металла или проводника (движущиеся электроны) в изолятор.
Хотя это состояние локализации исследовалось на протяжении десятилетий в контексте одиночных невзаимодействующих частиц, что же происходит в неупорядоченной системе с множеством взаимодействующих электронов? Подобные вопросы и связанные с ними аспекты квантового хаоса занимали умы Уэлда и его соавтора, теоретика из Университета Мэриленда Виктора Галицкого, во время дискуссии несколько лет назад, когда Галицкий был с визитом в Санта-Барбаре.
Уэлд вспоминал: «Виктор поднял вопрос, что произойдет, если вместо этой чистой невзаимодействующей квантовой системы, стабилизированной интерференцией, у вас будет связка этих роторов, и все они смогут сталкиваться, взаимодействовать и взаимодействовать друг с другом. Сохраняется ли локализация или взаимодействия разрушают ее?»
Галицкий сказал: «Действительно, это сложный вопрос, который относится к основам статистической механики и базовому понятию эргодичности, согласно которой большинство взаимодействующих систем в конечном итоге термализуются до универсального состояния».
«Представьте на мгновение, что вы наливаете холодное молоко в горячий кофе. Частицы в вашей чашке со временем и в результате взаимодействия придут в однородное, равновесное состояние, которое не является чисто горячий кофе или холодное молоко. Такого типа поведения — термализации — ожидали от всех взаимодействующих систем. Так было до тех пор, пока примерно 16 лет назад не было высказано мнение, что беспорядок в квантовой системе приводит к локализации многих тел (MBL)».
«Это явление, признанное Премией Ларса Онсагера ранее в этом году, трудно доказать строго теоретически или экспериментально».
У команды Уэлда есть инструменты, технологии и знания, чтобы эффективно пролить свет на этот вопрос. 100,000 XNUMX ультрахолодных атомов лития подвешены в стоячей волне света в газе в их лаборатории. Каждый атом представляет собой квантовый ротор, который могут искрить лазерные импульсы.
Используя резонансный инструмент Фешбаха, ученые могут скрыть атомы друг от друга или заставить их отскакивать друг от друга с помощью сколь угодно сильных взаимодействий. Поворотом ручки исследователи могли заставить атомы лития переходить от линейного танца к мош-питу и фиксировать их поведение.
Как и ожидалось, когда атомы не могли видеть друг друга, они были способны выдерживать повторяющиеся удары лазера до определенного момента, после чего они переставали двигаться в своей динамически локализованной форме. Однако по мере того, как ученые увеличивали взаимодействие, замкнутое состояние не только исчезло, но и показалось, что система поглощала энергию от повторяющихся ударов, имитируя классическое хаотическое поведение.
Уэлд сказал: «Однако, хотя взаимодействующая неупорядоченная квантовая система поглощала энергию, она делала это гораздо медленнее, чем классическая система».
«Мы видим нечто, что поглощает энергию, но не так хорошо, как классическая система. И кажется, что энергия растет примерно пропорционально квадратному корню из времени, а не линейно со временем. Таким образом, взаимодействия не делают его классическим; это по-прежнему странное квантовое состояние, демонстрирующее аномальную нелокализацию».
Ученые использовали метод под названием эхо. В этом методе кинетическая эволюция прогоняется вперед, а затем назад, чтобы измерить, как взаимодействия напрямую разрушают обратимость времени. Одним из важнейших показателей квантового хаоса является разрушение обратимости времени.
Соавтор Рошан Саджад, аспирант-исследователь из команды лития, сказал: «Еще один способ подумать об этом — спросить: сколько памяти о начальном состоянии останется в системе через некоторое время?»
«При отсутствии каких-либо возмущений, таких как рассеянный свет или столкновения газов, система должна быть в состоянии вернуться в исходное состояние, если физика обратится вспять. В нашем эксперименте мы обращаем время вспять, меняя фазу ударов ногами, «отменяя» эффекты первой нормальной серии ударов ногами. Частично наше восхищение заключалось в том, что разные теории предсказывали разное поведение в результате взаимодействия такого типа, но никто никогда не проводил эксперимент».
Ведущий автор Алек Цао сказал: «Грубая идея хаоса состоит в том, что, хотя законы движения обратимы во времени, многочастичная система может быть настолько сложной и чувствительной к возмущениям, что практически невозможно вернуть ее в исходное состояние. Изюминка заключалась в том, что в эффективно неупорядоченном (локализованном) состоянии взаимодействия несколько нарушали локализацию, даже когда система теряла способность обращать время вспять».
Саджад сказал: «Наивно можно было ожидать, что взаимодействия испортят обращение времени, но мы увидели кое-что более интересное: небольшое взаимодействие помогает! Это был один из наиболее удивительных результатов этой работы».
Ученые провели дополнительный эксперимент, который дал аналогичные результаты, используя более тяжелые атомы в одномерном контексте.
Гупта сказал, «Эксперименты в Университете Вашингтона проводились в очень сложном физическом режиме, когда атомы в 25 раз тяжелее, ограниченные в движении только в одном измерении, но также измеряли более слабый, чем линейный, рост энергии от периодических толчков, проливая свет на область, где теоретические результаты оказались неэффективными. противоречивый».
Уэлд сказал: «Эти открытия, как и многие важные результаты физики, открывают больше вопросов и открывают путь к большему количеству экспериментов с квантовым хаосом, где желанная связь между классическими и квантовая физика может быть раскрыта».
Галицкий прокомментировал: «Эксперимент Дэвида — это первая попытка исследовать динамическую версию MBL в более контролируемых лабораторных условиях. Хотя фундаментальный вопрос так или иначе не решен однозначно, данные показывают, что происходит что-то странное».
Приварите — сказал, «Как мы можем понять эти результаты в контексте очень большого объема работ по локализации многих тел в конденсированных системах? Как мы можем охарактеризовать это состояние материи? Мы наблюдаем, что система делокализуется, но не с ожидаемой линейной зависимостью от времени; что там происходит? Мы с нетерпением ждем будущих экспериментов, исследующих эти и другие вопросы».
Справочник журнала:
- См. То, Дж. Х., Маккормик, К. К., Тан, X. et al. Многочастичная динамическая делокализация в выброшенном одномерном ультрахолодном газе. Туземный Phys. (2022). ДОИ: 10.1038 / s41567-022-01721-ш
