Kvantegasser vil ikke tage varmen

Kvanteverdenen trodser åbenlyst intuitioner, som vi har udviklet, mens vi lever blandt relativt store ting, som biler, skillinger og støvpletter. I kvanteverdenen, små partikler kan opretholde en speciel forbindelse over enhver afstand, passerer gennem barrierer og kører samtidig ad flere stier.

En mindre kendt kvanteadfærd er dynamisk lokalisering, et fænomen, hvor et kvanteobjekt forbliver ved den samme temperatur på trods af en konstant tilførsel af energi - tøver med den antagelse, at en kold genstand altid vil stjæle varme fra en varmere genstand.

Denne antagelse er en af ​​hjørnestenene i termodynamikken - studiet af, hvordan varme bevæger sig rundt. Det faktum, at dynamisk lokalisering trodser dette princip, betyder, at der sker noget usædvanligt i kvanteverdenen - og at dynamisk lokalisering kan være en glimrende sonde for, hvor kvantedomænet slutter og traditionel fysik begynder. Forstå hvordan kvantesystemer opretholder, eller undlader at vedligeholde, kvanteadfærd er ikke kun afgørende for vores forståelse af universet, men også for den praktiske udvikling af kvanteteknologier.

"På et tidspunkt, kvantebeskrivelsen af ​​verden skal skifte til den klassiske beskrivelse, som vi ser, og det menes, at måden dette sker på er gennem interaktioner, " siger JQI postdoc-forsker Colin Rylands.

Indtil nu, dynamisk lokalisering er kun blevet observeret for enkelte kvanteobjekter, hvilket har forhindret den i at bidrage til forsøg på at fastlægge, hvor omstillingen sker. For at udforske dette problem, Rylands, sammen med JQI Fellow Victor Galitski og andre kolleger, undersøgte matematiske modeller for at se, om dynamisk lokalisering stadig kan opstå, når mange kvantepartikler interagerer. For at afsløre fysikken, de skulle lave modeller for at tage højde for forskellige temperaturer, interaktionsstyrker og tidslængder. Holdets resultater, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , tyder på, at dynamisk lokalisering kan forekomme, selv når stærke interaktioner er en del af billedet.

"Dette resultat er et eksempel på, hvor en enkelt kvantepartikel opfører sig helt anderledes end en klassisk partikel, og selv med tilføjelsen af ​​stærke vekselvirkninger ligner adfærden stadig kvantepartiklens adfærd snarere end den klassiske, "siger Rylands, hvem er artiklens første forfatter.

En Quantum Merry-Go-Round

Resultatet udvider dynamisk lokalisering ud over dens enkeltpartikeloprindelse, ind i regimet af mange interagerende partikler. Men for at visualisere effekten, det er stadig nyttigt at starte med en enkelt partikel. Tit, at enkeltpartikel diskuteres i form af en rotor, som du kan forestille dig som en legeplads karusell (eller noget andet, der snurrer i en cirkel). En rotors energi (og dens temperatur) er direkte relateret til, hvor hurtigt den roterer. Og en rotor med en konstant forsyning af energi - en der får et regulært "kick" - er en bekvem måde at visualisere forskellene i energistrømmen i kvantefysik og klassisk fysik.

For eksempel, forestil dig, at Hercules utrætteligt stryger ved en merry-go-round. De fleste af hans swipes vil fremskynde det, men nogle gange vil et swipe lande dårligt og bremse det. Under disse (imaginære) forhold, en normal merry-go-round ville snurre hurtigere og hurtigere, opbygge mere og mere energi, indtil vibrationer endelig ryster det hele fra hinanden. Dette repræsenterer, hvordan en normal rotor, i teorien, kan varme op for evigt uden at ramme en energigrænse.

I kvanteverdenen, tingene går anderledes. For en kvante-karusel øger eller mindsker hvert swipe ikke blot hastigheden. I stedet, hvert swipe producerer en kvantesuperposition over forskellige hastigheder, repræsenterer chancen for at finde rotoren, der drejer med forskellige hastigheder. Det er ikke før du foretager en måling, at en bestemt hastighed kommer frem fra kvantesuperpositionen forårsaget af de foregående spark.

Tidligere forskning, både teoretiske og eksperimentelle, har vist, at en kvanterotor i første omgang ikke opfører sig meget anderledes end en normal rotor på grund af denne skelnen – i gennemsnit vil en kvantekarusel også have mere energi efter at have oplevet flere spark. Men når først en kvanterotor er blevet sparket nok, dens hastighed har tendens til plateau. Efter et vist punkt, den vedvarende indsats fra vores kvante Hercules formår ikke at øge kvante karusellens energi (i gennemsnit).

Denne adfærd ligner konceptuelt et andet termodynamik-trodsende kvantefænomen kaldet Anderson-lokalisering. Philip Andersen, en af ​​grundlæggerne af kondenseret stof fysik, fik en nobelpris for opdagelsen af ​​fænomenet. Han og hans kolleger forklarede, hvordan en kvantepartikel, som en elektron, kunne blive fanget på trods af mange tilsyneladende muligheder for at flytte. De forklarede, at ufuldkommenheder i arrangementet af atomer i et fast stof kan føre til kvanteinterferens mellem de veje, der er tilgængelige for en kvantepartikel, ændrer sandsynligheden for, at den tager hver vej. I Anderson lokalisering, chancen for at være på nogen vej bliver næsten nul, efterlader partiklen fanget på plads.

Dynamisk lokalisering ligner meget Anderson lokalisering, men i stedet for at blive fanget i en bestemt position, en partikels energi sætter sig fast. Som et kvanteobjekt, en rotors energi og dermed hastighed er begrænset til et sæt kvantiserede værdier. Disse værdier danner et abstrakt gitter eller gitter, der ligner atomernes placering i et fast stof og kan producere en interferens mellem energistater, der ligner interferensen mellem stier i det fysiske rum. Sandsynligheden for de forskellige mulige energier, i stedet for en partikels mulige veje, blande, og energien og hastigheden sætter sig fast i nærheden af ​​en enkelt værdi, trods igangværende spark.

Udforskning af en ny kvantelegeplads

Mens Anderson lokalisering gav forskere et perspektiv til at forstå en enkelt sparket kvanterotor, det efterlod en vis uklarhed om, hvad der sker med mange interagerende rotorer, der kan kaste energi frem og tilbage. En almindelig forventning var, at de ekstra interaktioner ville tillade normal opvarmning ved at forstyrre den kvantebalance, der begrænser stigningen i energi.

Galitski og kolleger identificerede et endimensionelt system, hvor de troede, at forventningen måske ikke holdt stik. De valgte en interagerende endimensionel Bose-gas som deres legeplads. I en Bose-gas, partikler, der lyner frem og tilbage ned ad en linje, spiller den rolle, som rotorerne drejer på plads. Gasatomerne følger de samme grundlæggende principper som sparkede rotorer, men er mere praktiske at arbejde med i et laboratorium. I laboratorier, lasere kan bruges til at indeholde gassen og også til at køle atomerne i gassen ned til en lav temperatur, hvilket er afgørende for at sikre en stærk kvanteadfærd.

Når holdet valgte denne legeplads, de udforskede matematiske modeller af de mange interagerende gasatomer. Udforsker gassen ved en række forskellige temperaturer, interaktionsstyrker og antal spark krævede, at teamet skiftede mellem flere forskellige matematiske teknikker for at få et fuldstændigt billede. I sidste ende antydede deres resultater, at når en gas med stærke vekselvirkninger starter nær nultemperatur, kan den opleve dynamisk lokalisering. Holdet kaldte dette fænomen "dynamisk lokalisering af mange krop."

"Disse resultater har vigtige implikationer og demonstrerer grundlæggende vores ufuldstændige forståelse af disse systemer, "siger Robert Konik, en medforfatter til papiret og fysiker ved Brookhaven National Lab. "De indeholder også kimen til mulige applikationer, fordi systemer, der ikke accepterer energi, burde være mindre følsomme over for kvantedekohærenseffekter og derfor kan være nyttige til fremstilling af kvantecomputere."

Eksperimentel støtte

Selvfølgelig, en teoretisk forklaring er kun halvdelen af ​​puslespillet; eksperimentel bekræftelse er afgørende for at vide, om en teori er på fast grund. Heldigvis, et eksperiment på den modsatte kyst af USA har forfulgt det samme emne. Samtaler med Galitski inspirerede David Weld, en associeret fysikprofessor ved University of California, Santa Barbra, at bruge sit teams eksperimentelle ekspertise til at undersøge mange-krops dynamisk lokalisering.

"Normalt er det ikke let at overbevise en eksperimentalist til at lave et eksperiment baseret på teori, "siger Galitski." Denne sag var lidt serendipitøs, at David allerede havde næsten alt klar til at gå."

Welds team bruger en kvantgas af lithiumatomer, der er begrænset af lasere til at skabe et eksperiment, der ligner den teoretiske model, Galitskis team udviklede. (Den største forskel er, at i eksperimentet bevæger atomerne sig i tre dimensioner i stedet for kun én.)

I forsøget, Weld og hans team sparker atomerne hundredvis af gange ved hjælp af laserimpulser og observerer gentagne gange deres skæbne. For forskellige kørsler af eksperimentet indstillede de atomernes interaktionsstyrke til forskellige værdier.

"Det er rart, fordi vi kan gå til et ikke -interagerende regime ganske perfekt, og det er noget, som det er ret let at beregne adfærd for, " siger Weld. "Og så kan vi hele tiden skrue op for interaktionen og bevæge os ind i et regime, der er mere som det Victor og hans kolleger taler om i denne seneste avis. Og vi observerer lokalisering, selv i nærvær af de stærkeste interaktioner, som vi kan tilføje til systemet. Det har været en overraskelse for mig."

Deres foreløbige resultater bekræfter forudsigelsen om, at dynamisk lokalisering med mange krop kan forekomme, selv når stærke interaktioner er en del af billedet. Dette åbner nye muligheder for forskere til at forsøge at fastlægge grænsen mellem den kvante og den klassiske verden.

"Det er rart at kunne vise noget, som folk ikke havde forventet, og også at det er eksperimentelt relevant, siger Rylands.