Izbrcani kvantni sistemi lahko prikažejo nastanek dinamične lokalizacije, ki omejuje absorpcijo energije in povzroči razpad ergodičnosti, v nasprotju s klasičnimi pogonskimi sistemi, ki kažejo kaotično vedenje in difuzno kopičenje energije. Dolgo ni bilo jasno, kako se dinamično lokalizirana stanja razvijajo, ko obstajajo interakcije več teles.
Nova študija fizikov iz UC Santa Barbara in Univerze v Marylandu, pa tudi na Univerzi v Washingtonu, so našli odgovor na dolgotrajno vprašanje fizike: Kako interakcije med delci vplivajo na dinamično lokalizacijo?
Vprašanje se nanaša na fiziko »mnogih teles«, ki raziskuje fizikalne značilnosti kvantnega sistema s številnimi vrstami podatkov. Težave mnogih teles so predmet raziskav in razprav že desetletja. Kompleksnost teh sistemov, skupaj s kvantnimi pojavi, kot je superpozicija in zapletanje, vodi do široke palete možnosti, zaradi česar je težko odgovoriti samo z izračunom.
Na srečo ta problem ni bil zunaj dosega eksperimenta, ki je vključeval ultrahladne litijeve atome in laserje. Torej, po mnenju znanstvenikov, a čudno kvantno stanje se pojavi, ko vnesete interakcijo v neurejeno, kaotično kvantni sistem.
David Weld (povezava je zunanja), eksperimentalni fizik na UCSB s posebnostmi v ultrahladni atomski fiziki in kvantni simulaciji je dejal, "To je stanje, ki je nenormalno, z lastnostmi, ki so v nekem smislu med klasično napovedjo in neinterakcijsko kvantno napovedjo."
»Ko gre za čudno, protiintuitivno vedenje, kvantni svet ne razočara. Vzemimo za primer običajno nihalo, ki bi se obnašalo natanko tako, kot pričakujemo, ko bi bilo izpostavljeno energijskim impulzom."
"Če ga občasno brcnete in stresete gor in dol, bo klasično nihalo nenehno absorbiralo energijo, se začelo premikati vsepovsod in kaotično raziskovati ves prostor parametrov."
Kaos v kvantnih sistemih se zdi drugačen. Motnja lahko povzroči, da se delci nekako ustavijo. Poleg tega, medtem ko lahko kvantno nihalo ali "rotor" na začetku absorbira energijo iz udarcev, podobno kot klasično nihalo, s ponavljajočimi udarci sistem preneha absorbirati energijo in porazdelitev zagona zamrzne v tako imenovanem dinamično lokaliziranem stanju.
To lokalizirano stanje je zelo podobno obnašanju "umazane" elektronske trdne snovi, v kateri motnja povzroči nepremične, lokalizirane elektrone. Povzroči, da trdna snov preide iz kovine ali prevodnika (gibajoči se elektroni) v izolator.
Medtem ko se to stanje lokalizacije desetletja raziskuje v kontekstu posameznih delcev, ki med seboj ne delujejo, kaj se zgodi v neurejenem sistemu z več medsebojno delujočimi elektroni? O takšnih vprašanjih in sorodnih vidikih kvantnega kaosa sta razmišljala Weld in njegov soavtor, teoretik Univerze v Marylandu Victor Galitski, med razpravo pred nekaj leti, ko je Galitski obiskal Santa Barbaro.
Weld odpoklican, »Victor je sprožil vprašanje, kaj se zgodi, če imate namesto tega čistega neinterakcijskega kvantnega sistema, ki je stabiliziran z interferenco, kup teh rotorjev in vsi se lahko zaletijo v interakcijo in interakcijo drug z drugim. Ali lokalizacija ostaja ali jo interakcije uničijo?«
Galitski je dejal, "Dejansko gre za zapleteno vprašanje, ki se nanaša na temelje statistične mehanike in osnovni pojem ergodičnosti, pri čemer se večina medsebojno delujočih sistemov sčasoma termalizira v univerzalno stanje."
»Za trenutek si predstavljajte, da v vročo kavo vlijete hladno mleko. Delci v vaši skodelici se bodo sčasoma in s svojim medsebojnim delovanjem uredili v enotno, ravnotežno stanje, ki ni niti čisto vroča kava ali hladno mleko. Ta vrsta vedenja - termalizacija - je bila pričakovana za vse medsebojno delujoče sisteme. To je vse do pred približno 16 leti, ko se je trdilo, da naj bi motnja v kvantnem sistemu povzročila lokalizacijo več teles (MBL).«
"Ta pojav, ki ga je letos prejela nagrada Lars Onsager, je težko teoretično ali eksperimentalno strogo dokazati."
Weldova ekipa ima orodje, tehnologijo in znanje za učinkovito osvetlitev zadeve. 100,000 ultra hladnih atomov litija je suspendiranih v stoječem valovanju svetlobe v plinu v njihovem laboratoriju. Vsak atom predstavlja kvantni rotor, ki lahko sproži laserske impulze.
Z uporabo Feshbachovega resonančnega orodja lahko znanstveniki držijo atome skrite drug od drugega ali pa poskrbijo, da se odbijajo drug od drugega s poljubno močnimi interakcijami. Z vrtenjem gumba bi lahko raziskovalci atome litija prešli iz linijskega plesa v mosh pit in ujeli njihovo vedenje.
Kot je bilo pričakovano, ko atoma nista mogla videti drug drugega, sta lahko zdržala ponavljajoče se udarce laserja do določene točke, ko sta se prenehala premikati v svoji dinamično lokalizirani obliki. Ko pa so znanstveniki povečali interakcijo, ni samo zaprto stanje izginilo, ampak se je tudi zdelo, da sistem absorbira energijo iz ponavljajočih se udarcev in simulira klasično, kaotično vedenje.
Weld je rekel "Čeprav je medsebojno delujoči neurejeni kvantni sistem absorbiral energijo, je to počel veliko počasneje kot klasični sistem."
»Vidimo nekaj, kar absorbira energijo, vendar ne tako dobro kot klasični sistem. In zdi se, kot da energija raste približno s kvadratnim korenom časa namesto linearno s časom. Interakcije torej ne naredijo klasičnega; še vedno je čudno kvantno stanje, ki kaže anomalično nelokalizacijo.«
Znanstveniki so uporabili metodo, imenovano odmev. Pri tej metodi se kinetična evolucija izvaja naprej in nato nazaj, da se izmeri, kako interakcije neposredno uničijo časovno reverzibilnost. Eden ključnih pokazateljev kvantnega kaosa je uničenje reverzibilnosti časa.
Soavtor Roshan Sajjad, podiplomski študent raziskovalec v skupini za litij, je dejal, "Drug način razmišljanja o tem je vprašanje: Koliko pomnilnika začetnega stanja ima sistem po določenem času?"
»V odsotnosti kakršnih koli motenj, kot so razpršena svetloba ali trki plinov, bi se moral sistem vrniti v začetno stanje, če se fizika vrne nazaj. V našem poskusu obrnemo čas tako, da obrnemo fazo udarcev z nogo in 'izničimo' učinke prvega običajnega niza udarcev z nogo. Del naše fascinacije je bil, da so različne teorije napovedale različna vedenja glede na izid te vrste medsebojnega delovanja, vendar tega poskusa ni izvedel nihče."
Glavni avtor Alec Cao je dejal, »Groba ideja kaosa je, da čeprav so zakoni gibanja časovno reverzibilni, je sistem z več delci lahko tako zapleten in občutljiv na motnje, da ga je praktično nemogoče vrniti v začetno stanje. Zasuk je bil v tem, da so v dejansko neurejenem (lokaliziranem) stanju interakcije nekoliko porušile lokalizacijo, čeprav je sistem izgubil svojo sposobnost časovnega obrata.«
Sajjad je rekel »Naivno bi pričakovali, da bodo interakcije uničile obračanje časa, vendar smo videli nekaj bolj zanimivega: malo interakcije pomaga! To je bil eden bolj presenetljivih rezultatov tega dela.«
Znanstveniki so izvedli komplementarni eksperiment, ki je dal podobne rezultate z uporabo težjih atomov v enodimenzionalnem kontekstu.
Gupta je rekel, »Poskusi na UW so delovali v zelo težkem fizikalnem režimu s 25-krat težjimi atomi, ki so bili omejeni na gibanje samo v eni dimenziji, vendar so izmerili tudi šibkejšo od linearne rasti energije zaradi periodičnega udarca, s čimer so osvetlili področje, kjer so teoretični rezultati v sporu."
Weld je rekel »te ugotovitve, tako kot mnogi pomembni fizikalni rezultati, odpirajo več vprašanj in utirajo pot za več eksperimentov kvantnega kaosa, kjer je želena povezava med klasično in kvantna fizika morda odkriti."
Galitski je komentiral, »Davidov eksperiment je prvi poskus sondiranja dinamične različice MBL v bolj nadzorovanem laboratorijskem okolju. Čeprav tako ali drugače ni nedvoumno rešil temeljnega vprašanja, podatki kažejo, da se dogaja nekaj čudnega.«
Weld je dejal, »Kako lahko razumemo te rezultate v kontekstu zelo obsežnega dela o lokalizaciji več teles v sistemih kondenzirane snovi? Kako lahko označimo to agregatno stanje? Opazimo, da se sistem delokalizira, vendar ne s pričakovano linearno časovno odvisnostjo; kaj se tam dogaja? Veselimo se prihodnjih poskusov, ki raziskujejo ta in druga vprašanja.«
Referenca dnevnika:
- Glej Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Dinamična delokalizacija več teles v udarnem enodimenzionalnem ultrahladnem plinu. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
