踢动的量子系统可以表现出动态局域化的出现，这限制了能量吸收并导致遍历性的破坏，而经典驱动系统则表现出混沌行为和扩散能量积累。长期以来，人们一直不清楚当多体相互作用存在时，动态局部状态如何演变。
物理学家的一项新研究 加州大学圣巴巴拉分校 马里兰大学和华盛顿大学已经找到了长期存在的物理问题的答案：粒子间相互作用如何影响动力学定位？
这个问题涉及“多体”物理学，它探索具有多种数据类型的量子系统的物理特征。几十年来，多体问题一直是研究和讨论的主题。这些系统的复杂性，以及诸如此类的量子现象 叠加 和 纠葛，导致了广泛的可能性，因此很难仅通过计算来回答。
幸运的是，这个问题并不是超出涉及超冷锂原子和激光的实验的范围。因此，根据科学家的研究， 奇怪的量子态 当你在无序、混乱的环境中引入交互时就会出现 量子系统.
加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 的实验物理学家、专长于超冷原子物理和量子模拟的 David Weld (link is external) 表示， “这是一种异常状态，其特性在某种意义上介于经典预测和非相互作用量子预测之间。”
“当谈到奇怪的、违反直觉的行为时，量子世界不会让人失望。以一个规则的钟摆为例，当受到能量脉冲时，它的表现与我们期望的完全一致。”
“如果你每隔一段时间踢它并上下摇动它，经典摆就会不断吸收能量，开始到处摆动，并混乱地探索整个参数空间。”
量子系统中的混沌似乎有所不同。这种紊乱会导致粒子陷入某种静止状态。此外，虽然被踢动的量子摆或“转子”最初可能会吸收来自踢动的能量，类似于经典的摆，但随着重复的踢动，系统会停止吸收能量，并且动量分布会冻结在所谓的动态局部状态。
这种局域态与“脏”电子固体的行为非常相似，其中无序导致不动的局域电子。它使固体从金属或导体（移动电子）转变为绝缘体。
虽然这种局域化状态已经在单个非相互作用粒子的背景下进行了数十年的探索，但在具有多个相互作用电子的无序系统中会发生什么？几年前，当加利茨基访问圣巴巴拉时，韦尔德和他的合著者、马里兰大学理论家维克多·加利茨基在一次讨论中就想到了这样的问题以及量子混沌的相关方面。
沃尔德回忆道， “维克多提出了一个问题，如果不是这种通过干扰稳定的纯非相互作用量子系统，而是有一堆这样的转子，并且它们都可以碰撞并相互作用，并且彼此相互作用，会发生什么。本地化会持续存在，还是相互作用会破坏它？”
加利茨基说， “事实上，这是一个复杂的问题，涉及统计力学的基础和遍历性的基本概念，大多数相互作用的系统最终热化为普遍状态。”
“想象一下将冷牛奶倒入热咖啡中。随着时间的推移，杯子中的颗粒会通过它们的相互作用，将自己排列成均匀的平衡状态，这种状态既不是纯粹的，也不是纯粹的。 热咖啡 或冷牛奶。这种类型的行为——热化——是所有相互作用的系统所期望的。也就是说，直到大约 16 年前，人们才认为量子系统中的无序会导致多体局域化 (MBL)。”
“今年早些时候获得拉斯·昂萨格奖的这一现象很难在理论上或实验上得到严格证明。”
韦尔德的团队拥有有效阐明这一问题的工具、技术和知识。在他们的实验室中，100,000 个超冷锂原子悬浮在气体中的光驻波中。每个原子代表一个激光脉冲可以激发的量子转子。
使用费什巴赫共振工具，科学家可以使原子彼此隐藏或通过任意强的相互作用使它们彼此弹开。只需转动旋钮，研究人员就可以让锂原子从排舞变成狂欢，并捕捉它们的行为。
正如预期的那样，当原子无法看到彼此时，它们能够承受激光的反复冲击，直到某一点，此时它们停止以动态局部形式移动。然而，随着科学家们增加相互作用，不仅受限状态消失了，而且系统似乎正在吸收重复踢击中的能量，模拟经典的混乱行为。
韦尔德说， “然而，虽然相互作用的无序量子系统正在吸收能量，但它的吸收速度比经典系统慢得多。”
“我们看到了一些吸收能量的东西，但不如经典系统那么好。能量似乎大致随时间的平方根增长，而不是随时间线性增长。所以互动并没有让它变得经典；而是让它变得经典。它仍然是一种奇怪的量子态，表现出异常的非局域化。”
科学家们使用了一种称为回声的方法。在这种方法中，动力学演化先向前运行，然后向后运行，以测量相互作用如何直接破坏时间可逆性。量子混沌的一个重要指标是时间可逆性的破坏。
锂团队的研究生研究员、合著者 Roshan Sajjad 表示： “思考这个问题的另一种方法是问：一段时间后系统还有多少初始状态的内存？”
“在没有杂散光或气体碰撞等任何扰动的情况下，如果物理学向后运行，系统应该能够返回到其初始状态。在我们的实验中，我们通过反转踢腿的相位来逆转时间，“消除”第一组正常踢腿的效果。我们着迷的部分原因在于，不同的理论预测了这种相互作用设置的结果的不同行为，但没有人做过这项实验。”
主要作者 Alec Cao 说， “混沌的粗略想法是，尽管运动定律是时间可逆的，但多粒子系统可能非常复杂且对扰动敏感，几乎不可能返回到其初始状态。不同之处在于，在有效无序（局部）状态下，即使系统失去了时间逆转的能力，相互作用也会在某种程度上打破局部化。”
萨贾德说， “天真地，你会认为互动会破坏时间逆转，但我们看到了更有趣的东西：一点互动会有帮助！这是这项工作最令人惊讶的结果之一。”
科学家们进行了一项补充实验，在一维背景下使用较重的原子产生了类似的结果。
古普塔说， “威斯康星大学的实验在非常困难的物理条件下进行，重 25 倍的原子仅限于在一维移动，但也测量了周期性踢动产生的弱于线性的能量增长，揭示了理论结果所预测的领域。矛盾了。”
韦尔德说， “这些发现，就像许多重要的物理结果一样，提出了更多的问题，并为更多的量子混沌实验铺平了道路，其中经典和混沌之间令人垂涎的联系 量子物理学 可能会被发现。”
加利茨基评论说， “David 的实验是在更受控的实验室环境中探索 MBL 动态版本的首次尝试。虽然它并没有以某种方式明确解决根本问题，但数据表明正在发生一些奇怪的事情。”
焊接 说过, “在凝聚态系统中多体定位的大量工作背景下，我们如何理解这些结果？我们如何描述这种物质状态？我们观察到系统正在离域，但不具有预期的线性时间依赖性；那里发生了什么事？我们期待未来通过实验来探索这些问题和其他问题。”
杂志参考：
- 参见 Toh, J.H.、McCormick, K.C.、Tang, X. 等人。踢出的一维超冷气体中的多体动力学离域。 纳特物理. （2022 年）。 DOI： 10.1038 / s41567-022-01721-w
