Kicked quantum system kan visa uppkomsten av dynamisk lokalisering, vilket begränsar energiabsorptionen och orsakar nedbrytning av ergodicity, i motsats till klassiska drivna system, som visar kaotiskt beteende och diffusiv energiackumulering. Det har länge varit oklart hur dynamiskt lokaliserade tillstånd utvecklas när många kroppsinteraktioner existerar.
En ny studie av fysikerna vid UC Santa Barbara och University of Maryland, och även vid University of Washington, har hittat ett svar på den långvariga fysikfrågan: Hur påverkar interpartikelinteraktioner dynamisk lokalisering?
Frågan avser "mångakropps"-fysik, som utforskar de fysiska egenskaperna hos ett kvantsystem med många datatyper. Många kroppsproblem har varit föremål för forskning och diskussion i decennier. Komplexiteten i dessa system, tillsammans med kvantfenomen som överlagring och intrassling, leder till ett stort antal möjligheter, vilket gör det svårt att svara på enbart genom beräkning.
Lyckligtvis var detta problem inte utom räckhåll för ett experiment som involverade ultrakalla litiumatomer och lasrar. Så, enligt forskare, en konstigt kvanttillstånd dyker upp när du introducerar interaktion i en oordnad, kaotisk kvantsystem.
David Weld (extern länk), en experimentell fysiker vid UCSB med specialiteter i ultrakall atomfysik och kvantsimulering sa, "Det är ett tillstånd som är anomalt, med egenskaper som i någon mening ligger mellan den klassiska förutsägelsen och den icke-interagerande kvantförutsägelsen."
"När det kommer till konstigt, kontraintuitivt beteende gör kvantvärlden ingen besviken. Ta till exempel en vanlig pendel, som skulle bete sig precis som vi förväntar oss när den utsätts för energipulser.”
"Om du sparkar den och skakar den upp och ner då och då, kommer en klassisk pendel kontinuerligt att absorbera energi, börja vicka överallt och utforska hela parameterutrymmet kaotiskt."
Kaoset i kvantsystem verkar annorlunda. Störningen kan orsaka att partiklar typ stannar. Dessutom, medan en sparkad kvantpendel eller "rotor" initialt kan absorbera energi från sparkarna, liknande en klassisk pendel, med upprepade sparkar, slutar systemet att absorbera energi och momentumfördelningen fryser i vad som kallas ett dynamiskt lokaliserat tillstånd.
Detta lokaliserade tillstånd är nära analogt med beteendet hos en "smutsig" elektronisk fast substans, i vilken störning resulterar i orörliga, lokaliserade elektroner. Det får ett fast ämne att övergå från att vara en metall eller en ledare (elektroner i rörelse) till en isolator.
Även om detta tillstånd av lokalisering har utforskats i decennier i samband med enskilda, icke-interagerande partiklar, vad händer i ett oordnat system med flera interagerande elektroner? Frågor som denna och relaterade aspekter av kvantkaos var i sinnet hos Weld och hans medförfattare, University of Maryland-teoretikern Victor Galitski, under en diskussion för flera år sedan när Galitski besökte Santa Barbara.
Weld återkallade, "Victor tog upp frågan om vad som händer om du istället för detta rena icke-interagerande kvantsystem som stabiliseras av interferens har ett gäng av dessa rotorer, och de kan alla stöta på och interagera med och interagera med varandra. Fortsätter lokaliseringen eller förstör interaktionerna den?”
Galitski sa, "Det är faktiskt en komplicerad fråga som relaterar till grunderna för statistisk mekanik och den grundläggande uppfattningen om ergodicitet, varvid de flesta interagerande system så småningom termaliserar till ett universellt tillstånd."
”Föreställ dig för ett ögonblick att hälla kall mjölk i varmt kaffe. Partiklarna i din kopp kommer, med tiden och genom sina interaktioner, ordna sig till ett enhetligt jämviktstillstånd som varken är rent varmt kaffe eller kall mjölk. Denna typ av beteende - termalisering - förväntades av alla interagerande system. Det vill säga tills för ungefär 16 år sedan när det hävdades att störningar i ett kvantsystem ansågs resultera i många kroppslokalisering (MBL).
"Detta fenomen, som erkändes av Lars Onsager-priset tidigare i år, är svårt att bevisa teoretiskt eller experimentellt noggrant."
Welds team har verktyget, tekniken och kunskapen för att effektivt belysa saken. 100,000 XNUMX ultrakalla litiumatomer suspenderas i en stående ljusvåg i gas i deras labb. Varje atom representerar en kvantrotor som laserpulser kan utlösa.
Med hjälp av ett Feshbach-resonansverktyg kan forskare hålla atomerna täckta från varandra eller få dem att studsa av varandra med godtyckligt starka interaktioner. Med en vridning kunde forskarna få litiumatomerna att gå från linedance till mosh pit och fånga deras beteenden.
Som förväntat, när atomerna inte kunde se varandra, kunde de motstå upprepade sparkar från lasern till en viss punkt, då de upphörde att röra sig i sin dynamiskt lokaliserade form. Men när forskarna ökade interaktionen försvann inte bara det instängda tillståndet, utan det verkade också som att systemet absorberade energin från de upprepade sparkarna och simulerade klassiskt, kaotiskt beteende.
Weld sa, "Men medan det interagerande oordnade kvantsystemet absorberade energi, gjorde det det i mycket långsammare takt än vad ett klassiskt system skulle göra."
"Vi ser något som absorberar energi, men inte så bra som ett klassiskt system kan. Och det verkar som om energin växer ungefär med kvadratroten av tiden istället för linjärt med tiden. Så interaktionerna gör det inte klassiskt; det är fortfarande ett konstigt kvanttillstånd som uppvisar onormal icke-lokalisering."
Forskare använde en metod som kallas eko. I denna metod körs den kinetiska utvecklingen framåt och sedan bakåt för att mäta hur interaktioner förstör tidsreversibiliteten direkt. En avgörande indikator på kvantkaos är förstörelsen av tidsreversibilitet.
Medförfattare Roshan Sajjad, en doktorandforskare i litiumteamet, sa: "Ett annat sätt att tänka på detta är att fråga: Hur mycket minne av det initiala tillståndet har systemet efter en tid?"
"I avsaknad av några störningar som ströljus eller gaskollisioner, borde systemet kunna återgå till sitt ursprungliga tillstånd om fysiken körs bakåt. I vårt experiment vänder vi om tiden genom att vända om fasen av sparkarna, och "ångra" effekterna av den första normala uppsättningen av sparkar. En del av vår fascination var att olika teorier hade förutspått olika beteenden på resultatet av denna typ av interagerande upplägg, men ingen hade någonsin gjort experimentet."
Huvudförfattaren Alec Cao sa, "Den grova idén med kaos är att även om rörelselagarna är tidsreversibla, kan ett system med många partiklar vara så komplicerat och känsligt för störningar att det är praktiskt taget omöjligt att återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Tvisten var att i ett effektivt oordnat (lokaliserat) tillstånd, bröt interaktionerna lokaliseringen något även när systemet förlorade sin förmåga att vändas om i tid."
Sajjad sa, "Naivt sett skulle man förvänta sig att interaktioner skulle förstöra tidsreversering, men vi såg något mer intressant: Lite interaktion hjälper! Detta var ett av de mer överraskande resultaten av detta arbete.”
Forskare körde ett kompletterande experiment som gav liknande resultat med tyngre atomer i ett endimensionellt sammanhang.
Gupta sa, "Experimenten vid UW fungerade i en mycket svår fysisk regim med 25 gånger tyngre atomer begränsade till att röra sig i endast en dimension, men de mätte också svagare än linjär energitillväxt från periodisk sparkning, vilket kastade ljus över ett område där teoretiska resultat har i konflikt.”
Weld sa, "dessa fynd, liksom många viktiga fysikresultat, öppnar upp fler frågor och banar väg för fler kvantkaosexperiment, där den eftertraktade länken mellan klassisk och kvantfysik kan avslöjas."
Galitski kommenterade, "Davids experiment är det första försöket att undersöka en dynamisk version av MBL i en mer kontrollerad laboratoriemiljö. Även om det inte entydigt har löst den grundläggande frågan på ett eller annat sätt, visar uppgifterna att något konstigt pågår."
Svetsa sade, "Hur kan vi förstå dessa resultat i sammanhanget av det mycket stora arbetet med lokalisering av många kroppar i system med kondenserad materia? Hur kan vi karakterisera detta materiatillstånd? Vi observerar att systemet delokaliserar, men inte med det förväntade linjära tidsberoendet; vad händer där? Vi ser fram emot framtida experiment som utforskar dessa och andra frågor.”
Tidskriftsreferens:
- Se Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Dynamisk delokalisering av många kroppar i en sparkad endimensionell ultrakall gas. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
