Các hệ lượng tử được kích hoạt có thể cho thấy sự xuất hiện của định vị động, hạn chế sự hấp thụ năng lượng và gây ra sự phá vỡ tính linh hoạt, trái ngược với các hệ thống được điều khiển cổ điển, thể hiện hành vi hỗn loạn và tích lũy năng lượng khuếch tán. Từ lâu, người ta vẫn chưa rõ các trạng thái cục bộ động phát triển như thế nào khi tồn tại các tương tác nhiều vật thể.
Một nghiên cứu mới của các nhà vật lý tại UC Santa Barbara và Đại học Maryland, cũng như tại Đại học Washington, đã tìm ra câu trả lời cho câu hỏi vật lý lâu đời: Tương tác giữa các hạt ảnh hưởng như thế nào đến sự định vị động học?
Câu hỏi liên quan đến vật lý “nhiều vật thể”, khám phá các đặc tính vật lý của một hệ lượng tử với nhiều loại dữ liệu. Bài toán nhiều vật đã là chủ đề được nghiên cứu và thảo luận trong nhiều thập kỷ. Sự phức tạp của các hệ thống này, cùng với các hiện tượng lượng tử như chồng chất và sự vướng víu, dẫn đến vô số khả năng, gây khó khăn cho việc trả lời chỉ bằng phép tính.
May mắn thay, vấn đề này không nằm ngoài tầm với của một thí nghiệm liên quan đến các nguyên tử lithium và laser cực lạnh. Vì vậy, theo các nhà khoa học, trạng thái lượng tử kỳ lạ nổi lên khi bạn đưa ra sự tương tác một cách lộn xộn, hỗn loạn hệ lượng tử.
David Weld(link is external), một nhà vật lý thực nghiệm tại UCSB với chuyên môn về vật lý nguyên tử cực lạnh và mô phỏng lượng tử cho biết, “Đó là một trạng thái dị thường, với những đặc tính mà theo một nghĩa nào đó nằm giữa dự đoán cổ điển và dự đoán lượng tử không tương tác.”
“Khi nói đến hành vi kỳ lạ, phản trực giác, thế giới lượng tử không làm chúng ta thất vọng. Lấy ví dụ, một con lắc đều, nó sẽ hành xử chính xác như chúng ta mong đợi khi chịu tác dụng của các xung năng lượng.”
“Nếu thỉnh thoảng bạn đá và lắc nó lên xuống, một con lắc cổ điển sẽ liên tục hấp thụ năng lượng, bắt đầu lắc lư khắp nơi và khám phá toàn bộ không gian tham số một cách hỗn loạn.”
Sự hỗn loạn trong các hệ lượng tử có vẻ khác. Sự rối loạn này có thể khiến các hạt đứng yên. Ngoài ra, trong khi con lắc lượng tử bị tác động hay “rotor” ban đầu có thể hấp thụ năng lượng từ các cú va chạm, tương tự như con lắc cổ điển, thì với các cú va chạm lặp đi lặp lại, hệ thống sẽ ngừng hấp thụ năng lượng và sự phân bố động lượng đóng băng ở trạng thái được gọi là trạng thái định vị động.
Trạng thái cục bộ này gần giống với hành vi của một chất rắn điện tử “bẩn”, trong đó sự rối loạn dẫn đến các electron bất động, cục bộ. Nó làm cho chất rắn chuyển từ kim loại hoặc chất dẫn điện (các electron chuyển động) sang chất cách điện.
Trong khi trạng thái định vị này đã được khám phá trong nhiều thập kỷ trong bối cảnh các hạt đơn lẻ, không tương tác, thì điều gì xảy ra trong một hệ mất trật tự với nhiều electron tương tác? Những câu hỏi như thế này và các khía cạnh liên quan của sự hỗn loạn lượng tử đã xuất hiện trong đầu Weld và đồng tác giả của ông, nhà lý thuyết Victor Galitski của Đại học Maryland, trong một cuộc thảo luận cách đây vài năm khi Galitski đến thăm Santa Barbara.
Weld nhớ lại, “Victor đặt ra câu hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu, thay vì hệ thống lượng tử không tương tác thuần túy được ổn định bằng sự giao thoa này, bạn có một loạt các cánh quạt này và tất cả chúng đều có thể va chạm và tương tác với nhau. Quá trình bản địa hóa có tồn tại hay các tương tác sẽ phá hủy nó?”
Galitski đã nói, “Thật vậy, đây là một câu hỏi phức tạp liên quan đến nền tảng của cơ học thống kê và khái niệm cơ bản về tính linh hoạt, nhờ đó hầu hết các hệ thống tương tác cuối cùng sẽ nóng lên thành một trạng thái phổ quát.”
“Hãy tưởng tượng trong giây lát, bạn đổ sữa lạnh vào cà phê nóng. Các hạt trong cốc của bạn, theo thời gian và thông qua tương tác của chúng, sẽ tự sắp xếp thành một trạng thái cân bằng, đồng nhất, không hoàn toàn cà phê nóng hoặc sữa lạnh. Loại hành vi này - nhiệt hóa - được mong đợi ở tất cả các hệ thống tương tác. Đó là, cho đến khoảng 16 năm trước, khi người ta lập luận rằng sự mất trật tự trong một hệ lượng tử được cho là dẫn đến sự định vị nhiều vật thể (MBL).”
“Hiện tượng này, được Giải thưởng Lars Onsager công nhận hồi đầu năm nay, rất khó chứng minh một cách chặt chẽ về mặt lý thuyết hoặc thực nghiệm.”
Nhóm của Weld có công cụ, công nghệ và kiến thức để làm sáng tỏ vấn đề một cách hiệu quả. 100,000 nguyên tử lithium cực lạnh lơ lửng trong một làn sóng ánh sáng đứng trong chất khí trong phòng thí nghiệm của họ. Mỗi nguyên tử đại diện cho một rôto lượng tử mà các xung laser có thể phát ra.
Sử dụng công cụ cộng hưởng Feshbach, các nhà khoa học có thể giữ cho các nguyên tử được che đậy khỏi nhau hoặc làm cho chúng bật ra khỏi nhau bằng những tương tác mạnh tùy ý. Chỉ cần xoay núm, các nhà nghiên cứu có thể làm cho các nguyên tử lithium chuyển từ trạng thái nhảy dây sang trạng thái mosh và nắm bắt hành vi của chúng.
Đúng như dự đoán, khi các nguyên tử không thể nhìn thấy nhau, chúng có thể chịu được những cú va chạm liên tục từ tia laser cho đến một thời điểm nhất định, lúc đó chúng ngừng chuyển động ở dạng cục bộ động. Tuy nhiên, khi các nhà khoa học tăng cường tương tác, không chỉ trạng thái giam cầm biến mất mà dường như hệ thống đang hấp thụ năng lượng từ những cú đá lặp đi lặp lại, mô phỏng hành vi hỗn loạn, cổ điển.
Weld đã nói “Tuy nhiên, trong khi hệ lượng tử mất trật tự tương tác đang hấp thụ năng lượng, thì nó hấp thụ năng lượng với tốc độ chậm hơn nhiều so với hệ thống cổ điển.”
“Chúng ta đang thấy thứ gì đó hấp thụ năng lượng, nhưng không tốt bằng hệ thống cổ điển. Và có vẻ như năng lượng đang tăng dần theo căn bậc hai của thời gian thay vì tuyến tính theo thời gian. Vì vậy, sự tương tác không làm cho nó trở nên cổ điển; nó vẫn là một trạng thái lượng tử kỳ lạ biểu hiện tính không định vị bất thường.”
Các nhà khoa học đã sử dụng một phương pháp gọi là tiếng vang. Trong phương pháp này, quá trình tiến hóa động học được thực hiện tiến lên rồi lùi lại để đo lường xem các tương tác trực tiếp phá hủy khả năng đảo ngược thời gian như thế nào. Một dấu hiệu quan trọng của sự hỗn loạn lượng tử là sự phá hủy khả năng đảo ngược thời gian.
Đồng tác giả Roshan Sajjad, một nhà nghiên cứu sau đại học của nhóm lithium, cho biết: “Một cách khác để nghĩ về điều này là hỏi: Hệ thống có bao nhiêu bộ nhớ về trạng thái ban đầu sau một thời gian?”
“Trong trường hợp không có bất kỳ nhiễu loạn nào như ánh sáng lạc hoặc va chạm khí, hệ thống sẽ có thể trở lại trạng thái ban đầu nếu vật lý hoạt động ngược lại. Trong thử nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đảo ngược thời gian bằng cách đảo ngược pha của các cú đá, 'hủy bỏ' tác động của loạt cú đá bình thường đầu tiên. Một phần niềm đam mê của chúng tôi là các lý thuyết khác nhau đã dự đoán những hành vi khác nhau đối với kết quả của kiểu thiết lập tương tác này, nhưng chưa có ai từng thực hiện thí nghiệm này.”
Tác giả chính Alec Cao cho biết, “Ý tưởng sơ bộ về sự hỗn loạn là mặc dù các định luật chuyển động có thể đảo ngược theo thời gian, nhưng một hệ nhiều hạt có thể rất phức tạp và nhạy cảm với những nhiễu loạn đến mức thực tế không thể quay trở lại trạng thái ban đầu. Điều khó khăn là ở trạng thái vô trật tự (cục bộ) một cách hiệu quả, các tương tác đã phần nào phá vỡ quá trình bản địa hóa ngay cả khi hệ thống mất khả năng đảo ngược thời gian.”
Sajjad đã nói “Thật ngây thơ, bạn có thể mong đợi các tương tác sẽ làm hỏng việc đảo ngược thời gian, nhưng chúng tôi đã thấy một điều thú vị hơn: Một chút tương tác sẽ có ích! Đây là một trong những kết quả đáng ngạc nhiên hơn của công việc này.”
Các nhà khoa học đã thực hiện một thí nghiệm bổ sung tạo ra kết quả tương tự bằng cách sử dụng các nguyên tử nặng hơn trong bối cảnh một chiều.
Gupta nói, “Các thí nghiệm tại UW vận hành trong một chế độ vật lý rất khó khăn với các nguyên tử nặng gấp 25 lần bị hạn chế chuyển động chỉ trong một chiều, đồng thời cũng đo được sự tăng trưởng năng lượng yếu hơn tuyến tính từ sự va chạm định kỳ, làm sáng tỏ một lĩnh vực mà các kết quả lý thuyết đã đạt được. mâu thuẫn.”
Weld đã nói “Những phát hiện này, giống như nhiều kết quả vật lý quan trọng, mở ra nhiều câu hỏi hơn và mở đường cho nhiều thí nghiệm hỗn loạn lượng tử hơn, trong đó mối liên hệ đáng thèm muốn giữa cổ điển và vật lý lượng tử có thể bị phát hiện.”
Galitski đã bình luận “Thí nghiệm của David là nỗ lực đầu tiên nhằm thăm dò phiên bản động học của MBL trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ hơn. Mặc dù nó chưa giải quyết rõ ràng câu hỏi cơ bản bằng cách này hay cách khác, nhưng dữ liệu cho thấy có điều gì đó kỳ lạ đang diễn ra.”
Weld nói, “Làm thế nào chúng ta có thể hiểu được những kết quả này trong bối cảnh khối lượng công việc rất lớn về định vị nhiều vật thể trong các hệ vật chất ngưng tụ? Làm thế nào chúng ta có thể mô tả trạng thái này của vật chất? Chúng tôi quan sát thấy rằng hệ thống đang định vị lại, nhưng không phụ thuộc vào thời gian tuyến tính như mong đợi; chuyện gì đang xảy ra ở đó thế? Chúng tôi đang mong đợi các thí nghiệm trong tương lai khám phá những câu hỏi này và những câu hỏi khác.”
Tạp chí tham khảo:
- Xem Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. và cộng sự. Sự định vị động lực của nhiều vật thể trong chất khí cực lạnh một chiều được đá. Nat. Thể chất. (Năm 2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
