Викинуті квантові системи можуть демонструвати появу динамічної локалізації, яка обмежує поглинання енергії та викликає порушення ергодичності, на відміну від класичних керованих систем, які демонструють хаотичну поведінку та дифузне накопичення енергії. Довгий час було незрозуміло, як динамічно розвиваються локалізовані стани, коли існує взаємодія багатьох тіл.
Нове дослідження фізиків at UC Santa Barbara і Університет Меріленда, а також Університет Вашингтона знайшли відповідь на давнє питання фізики: як міжчастинкові взаємодії впливають на динамічну локалізацію?
Це питання стосується фізики «багатьох тіл», яка досліджує фізичні характеристики квантової системи з численними типами даних. Проблеми багатьох тіл були предметом досліджень і обговорень протягом десятиліть. Складність цих систем, поряд з квантовими явищами, як суперпозиція та заплутаність, відкриває широкий спектр можливостей, що ускладнює відповідь лише за допомогою розрахунків.
На щастя, ця проблема не була поза межами досяжності експерименту, в якому брали участь ультрахолодні атоми літію та лазери. Так, на думку вчених, а дивний квантовий стан виникає, коли ввести взаємодію в невпорядковану, хаотичну квантова система.
Девід Велд (link is external), фізик-експериментатор з UCSB, який спеціалізується на ультрахолодній атомній фізиці та квантовому моделюванні, сказав: «Це аномальний стан із властивостями, які в певному сенсі знаходяться між класичним передбаченням і невзаємодіючим квантовим передбаченням».
«Коли справа доходить до дивної, нерозумної поведінки, квантовий світ не розчаровує. Візьмемо, наприклад, звичайний маятник, який буде поводитися саме так, як ми цього очікуємо, піддаючись імпульсам енергії».
«Якщо ви час від часу штовхаєте його ногою та струшуєте вгору-вниз, класичний маятник постійно поглинатиме енергію, почне ворушитися всюди та хаотично досліджуватиме весь простір параметрів».
Хаос у квантових системах здається іншим. Розлад може спричинити деяку зупинку частинок. Крім того, у той час як квантовий маятник або «ротор» може спочатку поглинати енергію від ударів, подібно до класичного маятника, при повторних ударах система припиняє поглинати енергію, а розподіл імпульсу зависає в тому, що називається динамічно локалізованим станом.
Цей локалізований стан дуже схожий на поведінку «брудного» електронного твердого тіла, в якому безлад призводить до нерухомих локалізованих електронів. Це змушує тверде тіло перетворюватися з металу або провідника (рухомих електронів) на ізолятор.
Хоча цей стан локалізації досліджувався десятиліттями в контексті окремих невзаємодіючих частинок, що відбувається в невпорядкованій системі з кількома взаємодіючими електронами? Подібні питання та пов’язані з ним аспекти квантового хаосу були в голові Велда та його співавтора, теоретика Мерілендського університету Віктора Галицького, під час дискусії кілька років тому, коли Галицький відвідував Санта-Барбару.
Велд відкликаний, «Віктор підняв питання про те, що станеться, якщо замість цієї чистої невзаємодіючої квантової системи, яка стабілізується за допомогою перешкод, у вас буде купа цих роторів, і всі вони можуть стикатися, взаємодіяти та взаємодіяти один з одним. Чи зберігається локалізація, чи взаємодії її руйнують?»
Галицький сказав, «Справді, це складне питання, яке стосується основ статистичної механіки та базового поняття ергодичності, за допомогою якого більшість взаємодіючих систем зрештою термалізуються в універсальний стан».
«Уявіть на мить, що ви наливаєте холодне молоко в гарячу каву. Частинки у вашій чашці з часом і через їхню взаємодію приведуть себе в однорідний рівноважний стан, який не є ні гаряча кава або холодного молока. Цей тип поведінки — термалізація — очікувався від усіх взаємодіючих систем. Тобто приблизно до 16 років тому, коли вважалося, що безлад у квантовій системі призводить до локалізації багатьох тіл (MBL)».
«Цей феномен, визнаний премією Ларса Онзагера на початку цього року, важко довести теоретично або експериментально строго».
Команда Weld має інструменти, технології та знання, щоб ефективно пролити світло на це питання. 100,000 XNUMX ультрахолодних атомів літію підвішені в стоячій хвилі світла в газі в їхній лабораторії. Кожен атом являє собою квантовий ротор, який може запускати лазерні імпульси.
Використовуючи резонансний інструмент Фешбаха, вчені можуть приховати атоми один від одного або змусити їх відскакувати один від одного за допомогою будь-якої сильної взаємодії. Повертаючи ручку, дослідники могли змусити атоми літію переходити від лінійного танцю до мош-піту та зафіксувати їхню поведінку.
Як і передбачалося, коли атоми не могли бачити один одного, вони були здатні витримувати повторювані удари лазера до певного моменту, після чого вони перестали рухатися у своїй динамічно локалізованій формі. Однак, коли вчені посилювали взаємодію, не тільки зникав обмежений стан, але також здавалося, що система поглинала енергію від повторюваних ударів, імітуючи класичну, хаотичну поведінку.
Велд сказав, «Однак, незважаючи на те, що взаємодіюча невпорядкована квантова система поглинала енергію, вона робила це набагато повільніше, ніж класична система».
«Ми бачимо щось, що поглинає енергію, але не так добре, як класична система. І здається, що енергія зростає приблизно з квадратним коренем із часу, а не лінійно з часом. Таким чином, взаємодія не робить його класичним; це все ще дивний квантовий стан, який демонструє аномальну нелокалізацію».
Вчені використовували метод під назвою ехо. У цьому методі кінетична еволюція запускається вперед, а потім назад, щоб виміряти, як взаємодії безпосередньо руйнують оборотність часу. Одним з найважливіших показників квантового хаосу є знищення оборотності часу.
Співавтор Рошан Саджад, аспірант-дослідник з групи літію, сказав: «Інший спосіб подумати про це — запитати: скільки пам’яті про початковий стан має система через деякий час?»
«За відсутності будь-яких збурень, таких як розсіяне світло або зіткнення газу, система повинна мати можливість повернутися до свого початкового стану, якщо фізику повернути назад. У нашому експерименті ми повертаємо час, змінюючи фазу ударів, «скасовуючи» наслідки першого нормального набору ударів. Частково наше захоплення полягало в тому, що різні теорії передбачали різну поведінку в результаті такого типу взаємодії, але ніхто ніколи не проводив цей експеримент».
Провідний автор Алек Као сказав: «Приблизне уявлення про хаос полягає в тому, що навіть незважаючи на те, що закони руху оборотні в часі, багаточастинкова система може бути настільки складною та чутливою до збурень, що практично неможливо повернутися до початкового стану. Поворот полягав у тому, що в фактично невпорядкованому (локалізованому) стані взаємодії дещо порушували локалізацію, навіть коли система втрачала здатність повертатися в часі».
Саджад сказав, «Наївно можна було б очікувати, що взаємодія зруйнує обертання часу, але ми побачили щось більш цікаве: невелика взаємодія допомагає! Це був один із найдивовижніших результатів цієї роботи».
Вчені провели додатковий експеримент, який дав схожі результати з використанням важчих атомів в одновимірному контексті.
Гупта сказав, «Експерименти в UW проводилися в дуже складному фізичному режимі з 25-кратно важчими атомами, обмеженими для переміщення лише в одному вимірі, але також виміряли слабше, ніж лінійне зростання енергії від періодичних ударів, проливаючи світло на область, де теоретичні результати були суперечливі».
Велд сказав, «Ці висновки, як і багато інших важливих результатів фізики, відкривають більше запитань і прокладають шлях до нових експериментів з квантовим хаосом, де бажаний зв’язок між класичним і квантова фізика можуть бути розкриті».
Галицький прокоментував, «Експеримент Девіда — це перша спроба дослідити динамічну версію MBL у більш контрольованих лабораторних умовах. Хоча це так чи інакше не вирішило однозначного фундаментального питання, дані показують, що відбувається щось дивне».
зварений шов сказав, «Як ми можемо зрозуміти ці результати в контексті дуже великої кількості робіт з локалізації багатьох тіл у системах конденсованого середовища? Як ми можемо охарактеризувати цей стан речовини? Ми спостерігаємо, що система делокалізується, але не з очікуваною лінійною залежністю від часу; що там відбувається? Ми з нетерпінням чекаємо майбутніх експериментів, щоб дослідити ці та інші питання».
Довідка з журналу:
- Див. Toh, J.H., McCormick, K.C., Tang, X. et al. Багатотільна динамічна делокалізація в одновимірному ультрахолодному газі. Нац. фіз. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
