Tekmelenmiş kuantum sistemleri, kaotik davranış ve dağınık enerji birikimi sergileyen klasik tahrikli sistemlerin aksine, enerji emilimini kısıtlayan ve ergodisitenin bozulmasına neden olan dinamik lokalizasyonun ortaya çıkışını sergileyebilir. Çok cisimli etkileşimler mevcut olduğunda dinamik olarak yerelleştirilmiş durumların nasıl geliştiği uzun zamandır belirsizdi.
Fizikçilerin yeni araştırması UC Santa Barbara Maryland Üniversitesi ve Washington Üniversitesi uzun süredir devam eden fizik sorusuna bir yanıt buldu: Parçacıklar arası etkileşimler dinamik yerelleştirmeyi nasıl etkiler?
Soru, çok sayıda veri türü içeren bir kuantum sisteminin fiziksel özelliklerini araştıran "çoklu cisim" fiziğiyle ilgilidir. Çok cisim problemleri onlarca yıldır araştırma ve tartışma konusu olmuştur. Bu sistemlerin karmaşıklığı ve kuantum fenomeni gibi üstüne koyma ve dolaşıklık, çok çeşitli olasılıklara yol açarak yalnızca hesaplama yoluyla yanıt vermeyi zorlaştırır.
Neyse ki bu sorun, ultra soğuk lityum atomları ve lazerleri içeren bir deneyin ulaşamayacağı bir şey değildi. Yani bilim adamlarına göre bir garip kuantum durumu düzensiz, kaotik bir ortama etkileşimi dahil ettiğinizde ortaya çıkar kuantum sistemi.
UCSB'de ultra soğuk atom fiziği ve kuantum simülasyonu konularında uzmanlaşmış deneysel fizikçi David Weld(link is external) şunları söyledi: "Bu, bir bakıma klasik tahmin ile etkileşime girmeyen kuantum tahmini arasında yer alan özelliklere sahip, anormal bir durum."
"Garip, mantık dışı davranışlar söz konusu olduğunda kuantum dünyası hayal kırıklığına uğratmaz. Örneğin, enerji darbelerine maruz kaldığında tam olarak beklediğimiz gibi davranan normal bir sarkacı ele alalım.
"Arada bir tekme atarsanız ve yukarı aşağı sallarsanız, klasik bir sarkaç sürekli olarak enerjiyi emecek, her yerde kıpırdamaya başlayacak ve tüm parametre uzayını kaotik bir şekilde keşfedecektir."
Kuantum sistemlerindeki kaos farklı görünüyor. Bu bozukluk parçacıkların bir nevi durmasına neden olabilir. Ek olarak, tekme atılan bir kuantum sarkacı veya "rotor", klasik sarkaca benzer şekilde başlangıçta vuruşlardan gelen enerjiyi emebilirken, tekrarlanan tekmelerle sistem enerji emmeyi durdurur ve momentum dağılımı, dinamik olarak lokalize bir durum olarak bilinen durumda donar.
Bu lokalize durum, düzensizliğin hareketsiz, lokalize elektronlarla sonuçlandığı "kirli" bir elektronik katının davranışına yakından benzer. Bir katının metal veya iletken (hareket eden elektronlar) olmaktan yalıtkan olmaya geçişine neden olur.
Bu lokalizasyon durumu onlarca yıldır etkileşime girmeyen tek parçacıklar bağlamında araştırılırken, birden fazla etkileşime giren elektronun olduğu düzensiz bir sistemde ne olur? Bunun gibi sorular ve kuantum kaosunun ilgili yönleri, Galitski'nin Santa Barbara'yı ziyaret ettiği birkaç yıl önce yapılan bir tartışma sırasında Weld ve onun ortak yazarı Maryland Üniversitesi teorisyeni Victor Galitski'nin aklındaydı.
Weld şunları hatırladı: "Victor, girişimle dengelenen, etkileşime girmeyen bu saf kuantum sistemi yerine, bu rotorlardan bir demetine sahipseniz ve bunların hepsi birbiriyle çarpışabilir, birbirleriyle etkileşime girebilir ve etkileşime girebilirse ne olur?" sorusunu gündeme getirdi. Yerelleştirme devam ediyor mu, yoksa etkileşimler onu yok mu ediyor?”
Galitski şunları söyledi: "Aslında bu, istatistiksel mekaniğin temelleri ve etkileşimli sistemlerin çoğunun sonunda evrensel bir duruma dönüştüğü temel ergodisite kavramıyla ilgili karmaşık bir sorudur."
“Bir an için sıcak kahveye soğuk süt döktüğünüzü hayal edin. Fincanınızdaki parçacıklar zamanla ve etkileşimleri yoluyla kendilerini tekdüze, denge halinde düzenleyeceklerdir. sıcak kahve veya soğuk süt. Bu tür bir davranış - termalizasyon - etkileşimli tüm sistemlerden bekleniyordu. Yani yaklaşık 16 yıl öncesine kadar kuantum sistemindeki bozukluğun çok cisim lokalizasyonuna (MBL) yol açtığının düşünüldüğü iddia edildi.
"Bu yılın başlarında Lars Onsager Ödülü tarafından tanınan bu olgunun teorik veya deneysel olarak kesin bir şekilde kanıtlanması zordur."
Weld'in ekibi konuya etkili bir şekilde ışık tutacak araç, teknoloji ve bilgiye sahiptir. 100,000 ultra-soğuk lityum atomu, laboratuvarlarındaki gazın içindeki duran ışık dalgasında asılı duruyor. Her atom, lazer darbelerinin kıvılcım çıkarabileceği bir kuantum rotorunu temsil ediyor.
Feshbach rezonans aracını kullanarak bilim insanları atomları birbirlerinden gizleyebilir veya keyfi olarak güçlü etkileşimlerle birbirlerinden sıçramalarını sağlayabilirler. Araştırmacılar, bir düğmeyi çevirerek lityum atomlarının çizgi dansından mosh pit'e gitmesini ve davranışlarını yakalamasını sağlayabildiler.
Tahmin edildiği gibi, atomlar birbirini göremediğinde, lazerin tekrarlanan vuruşlarına belirli bir noktaya kadar dayanabildiler ve bu noktada dinamik olarak lokalize oldukları formda hareket etmeyi bıraktılar. Bununla birlikte, bilim insanları etkileşimi artırdıkça, yalnızca sınırlı durum ortadan kalkmakla kalmadı, aynı zamanda sistemin tekrarlanan tekmelerden gelen enerjiyi emerek klasik, kaotik davranışı simüle ettiği de görüldü.
Kaynak şunları söyledi: "Ancak, etkileşim halindeki düzensiz kuantum sistemi enerjiyi emerken, bunu klasik bir sisteme göre çok daha yavaş bir hızda yapıyordu."
“Enerjiyi emen bir şey görüyoruz, ancak bu klasik bir sistem kadar iyi değil. Ve öyle görünüyor ki enerji zamanla doğrusal olarak büyümek yerine kabaca zamanın kareköküyle artıyor. Yani etkileşimler onu klasik yapmıyor; hala anormal bir yerelleşmeme sergileyen tuhaf bir kuantum durumu.”
Bilim insanları yankı adı verilen bir yöntem kullandılar. Bu yöntemde, etkileşimlerin zamanın tersine çevrilebilirliğini doğrudan nasıl yok ettiğini ölçmek için kinetik evrim ileri ve sonra geriye doğru çalıştırılır. Kuantum kaosunun önemli bir göstergesi, zamanın tersine çevrilebilirliğinin yok olmasıdır.
Lityum ekibinde yüksek lisans öğrencisi araştırmacı olan ortak yazar Roshan Sajjad şunları söyledi: "Bunu düşünmenin bir başka yolu da şunu sormaktır: Sistemin bir süre sonra başlangıç durumuna ilişkin ne kadar hafızası var?"
“Başıboş ışık veya gaz çarpışmaları gibi herhangi bir tedirginliğin olmadığı durumda, fizik geriye doğru çalıştırılırsa sistem başlangıç durumuna dönebilmelidir. Deneyimimizde, tekmelerin aşamasını tersine çevirerek, ilk normal tekme dizisinin etkilerini 'geri alarak' zamanı tersine çeviriyoruz. Bizim hayranlığımızın bir kısmı, farklı teorilerin bu tür etkileşimli kurulumun sonucuna ilişkin farklı davranışları öngörmesiydi, ancak bu deneyi şimdiye kadar hiç kimse yapmamıştı."
Başyazar Alec Cao şunları söyledi: “Kaosun kaba fikri, hareket yasalarının zamanla tersine çevrilebilir olmasına rağmen, çok parçacıklı bir sistemin, başlangıçtaki durumuna geri dönmesi neredeyse imkansız olan karışıklıklara karşı çok karmaşık ve hassas olabilmesidir. Buradaki değişiklik, etkili bir şekilde düzensiz (yerelleştirilmiş) bir durumda, sistem zamanı tersine çevirme kapasitesini kaybetmiş olsa bile etkileşimlerin yerelleştirmeyi bir şekilde bozmasıydı.
Sajjad şunları söyledi: “Safça, etkileşimlerin zamanın tersine çevrilmesini mahvetmesini beklersiniz ama biz daha ilginç bir şey gördük: Biraz etkileşim işe yarar! Bu, çalışmanın en şaşırtıcı sonuçlarından biriydi.”
Bilim insanları, daha ağır atomları tek boyutlu bir bağlamda kullanarak benzer sonuçlar veren tamamlayıcı bir deney yürüttüler.
Gupta şunları söyledi: "UW'deki deneyler, 25 kat daha ağır atomların yalnızca tek bir boyutta hareket etmesiyle sınırlandırıldığı çok zor bir fiziksel rejimde yürütüldü, ancak aynı zamanda periyodik tekmelerden kaynaklanan doğrusaldan daha zayıf enerji artışını da ölçerek teorik sonuçların ortaya çıktığı bir alana ışık tuttu. çelişkili.”
Kaynak şunları söyledi: "Bu bulgular, birçok önemli fizik sonucu gibi, daha fazla soruyu gündeme getiriyor ve daha fazla kuantum kaos deneyinin önünü açıyor. kuantum fiziği ortaya çıkarılabilir.”
Galitski'nin yorumu şöyle: "David'in deneyi, daha kontrollü bir laboratuvar ortamında MBL'nin dinamik bir versiyonunu araştırmaya yönelik ilk girişimdir. Temel soruyu şu ya da bu şekilde kesin olarak çözememiş olsa da veriler tuhaf bir şeylerin döndüğünü gösteriyor.”
Kaynak şuraya, "Yoğun madde sistemlerinde çok cisim lokalizasyonu üzerine yapılan çok geniş kapsamlı çalışmalar bağlamında bu sonuçları nasıl anlayabiliriz? Maddenin bu durumunu nasıl karakterize edebiliriz? Sistemin yerellikten uzaklaştığını ancak beklenen doğrusal zamana bağlı olmadığını gözlemliyoruz; Orada neler oluyor? Bunları ve diğer soruları araştıran gelecekteki deneyleri sabırsızlıkla bekliyoruz."
Dergi Referans:
- Bkz. Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. ve diğerleri. Tek boyutlu, ultra soğuk bir gazda çok gövdeli dinamik delokalizasyon. Nat. fizik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
