Sætter en ny teori om mange-partikel kvantesystemer på prøve

Nye eksperimenter med indfangede endimensionelle gasser - atomer afkølet til de koldeste temperaturer i universet og begrænset, så de kun kan bevæge sig i en linje - passer med forudsigelserne fra den nyligt udviklede teori om "generaliseret hydrodynamik." Kvantemekanik er nødvendig for at beskrive disse gassers nye egenskaber. At opnå en bedre forståelse af, hvordan sådanne systemer med mange partikler udvikler sig over tid, er en grænse for kvantefysikken. Resultatet kunne i høj grad forenkle studiet af kvantesystemer, der er blevet exciteret ud af ligevægt. Ud over dets grundlæggende betydning, det kunne i sidste ende informere udviklingen af ​​kvantebaserede teknologier, som omfatter kvantecomputere og simulatorer, kvantekommunikation, og kvantesensorer. Et papir, der beskriver eksperimenterne af et hold ledet af Penn State fysikere, vises den 2. september, 2021 i bladet Videnskab .

Selv inden for klassisk fysik, hvor kvantemekanikkens yderligere kompleksitet kan ignoreres, det er umuligt at simulere bevægelsen af ​​alle atomer i en bevægelig væske. For at tilnærme disse partikelsystemer, fysikere bruger hydrodynamiske beskrivelser.

"Den grundlæggende idé bag hydrodynamik er at glemme alt om atomerne og betragte væsken som et kontinuum, " sagde Marcos Rigol, professor i fysik ved Penn State og en af ​​lederne af forskerholdet. "For at simulere væsken, man ender med at skrive koblede ligninger, der er resultatet af at pålægge nogle få begrænsninger, såsom bevarelse af masse og energi. Dette er de samme typer ligninger, der er løst, for eksempel, at simulere, hvordan luften strømmer, når du åbner vinduer for at forbedre ventilationen i et rum."

Materien bliver mere kompliceret, hvis kvantemekanik er involveret, som det er tilfældet, når man ønsker at simulere kvante mange-legeme-systemer, der er ude af ligevægt.

"Quantum mange-legeme-systemer - som er sammensat af mange interagerende partikler, såsom atomer - er i hjertet af atomare, atomisk, og partikelfysik, " sagde David Weiss, Fremragende professor i fysik ved Penn State og en af ​​lederne af forskerholdet. "Det plejede at være sådan, at undtagen i ekstreme grænser kunne man ikke lave en beregning for at beskrive kvante-mange-legeme-systemer uden ligevægt. Det ændrede sig for nylig."

Ændringen var motiveret af udviklingen af ​​en teoretisk ramme kendt som generaliseret hydrodynamik.

"Problemet med disse kvante-mangelegemesystemer i én dimension er, at de har så mange begrænsninger på deres bevægelse, at almindelige hydrodynamiske beskrivelser ikke kan bruges, " sagde Rigol. "Generaliseret hydrodynamik blev udviklet for at holde styr på alle disse begrænsninger."

Indtil nu, generaliseret hydrodynamik var kun tidligere blevet testet eksperimentelt under forhold, hvor styrken af ​​interaktioner mellem partikler var svag.

"Vi satte os for at teste teorien yderligere, ved at se på dynamikken i endimensionelle gasser med en bred vifte af interaktionsstyrker, " sagde Weiss. "Eksperimenterne er ekstremt velkontrollerede, så resultaterne kan sammenlignes præcist med denne teoris forudsigelser.

Forskerholdet bruger endimensionelle gasser af interagerende atomer, der i starten er indespærret i en meget lavvandet fælde i ligevægt. Så øger de pludselig fældens dybde med 100 gange, som tvinger partiklerne til at kollapse ind i midten af ​​fælden, får deres kollektive egenskaber til at ændre sig. Gennem sammenbruddet, holdet måler præcist deres egenskaber, som de så kan sammenligne med forudsigelserne om generaliseret hydrodynamik.

"Vores målinger matchede teoriens forudsigelse på tværs af snesevis af fældesvingninger, " sagde Weiss. "Der er i øjeblikket ikke andre måder at studere kvantesystemer uden for ligevægt i lange perioder med rimelig nøjagtighed, især med mange partikler. Generaliseret hydrodynamik giver os mulighed for at gøre dette for nogle systemer som det, vi testede, men hvor generelt anvendeligt det er, skal stadig bestemmes."