Forskere undersøger adfærd i kvantesystemer med en legetøjsinspireret teknik

Med sine ophængte metalliske kugler, der klager frem og tilbage, Newtons vugge er mere end et populært skrivebordslegetøj. Det har lært en generation af studerende om bevarelse af momentum og energi. Det er også inspirationen til et eksperiment Benjamin Lev, lektor i fysik og anvendt fysik ved Stanford University, har skabt for at studere kvantesystemer.

Lev og hans gruppe byggede deres egen kvanteversion af Newtons vugge for at besvare spørgsmål om, hvordan den kaotiske bevægelse af kvantepartikler i sidste ende fører til termisk ligevægt i en proces kaldet termalisering. At svare på, hvordan dette sker i kvantesystemer, kan hjælpe med at udvikle kvantecomputere, sensorer og enheder, som Lev karakteriserer som en "kvanteteknisk revolution."

"Hvis vi vil være i stand til at skabe enheder, der er robuste og nyttige, vi er nødt til at forstå, hvordan kvantesystemer opfører sig uden for ligevægt - når de sparkes, ligesom Newtons vugge - på et så grundlæggende niveau som vi forstår, at for klassiske systemer, "Sagde Lev.

Med vuggen, forskerne observerede for første gang, hvordan, efter at have fremkaldt små mængder kaotisk bevægelse, et kvantesystem når termisk ligevægt. De offentliggjorde deres fund 2. maj i Fysisk gennemgang X .

Resultaterne af disse forsøg, som ikke passede til tidligere forudsigelser, har ført til en teori om, hvordan denne proces fungerer i kvantesystemer.

Ekstremt koldt, stærkt magnetisk

Den turbulente hvirvel af mælk, som den tilføjes til kaffe, er et velkendt eksempel på kaos i den ikke-kvante verden. Over tid, kaffeblandingen bliver homogen og, derfor, når ligevægt. Det, Lev -laboratoriet ønskede at vide, er, hvordan denne udvikling sker i kvantesystemer, efter at de kun fremkalder et strejf af kaos. Gennem forsøg med deres vugge, forskerne var de første til at observere denne proces, mens den skete.

Lev-laboratoriets kvante Newtons vugge adskiller sig fra alt, hvad du har set i din medarbejders kabine. Forskerne skinner laserstråler gennem et lufttæt kammer for at afkøle en gas af atomer ned til næsten absolut nul - en af ​​de koldeste kendte gasser i universet - og derefter indlæser de disse atomer i en række laserrør, der fungerer som strukturen for Newtons vugge. Hver af de 700 parallelle vugger indeholder omkring 50 atomer i træk. Derefter, en anden laser sparker atomerne, starter bevægelsen af ​​vuggen.

I modsætning til en tidligere kvante Newtons vugge udviklet af David Weiss i Penn State, hvor svagt magnetiske atomer indtog stedet for vuggerens metalsfærer, Lev -laboratoriets vugge indeholder stærkt magnetiske atomer.

Dette arbejde bygger på laboratoriets tidligere præstation med at lave den første kvantegas af det stærkt magnetiske element dysprosium - bundet med terbium som det mest magnetiske af alle grundstoffer. Præsident Obama gav Lev en Presidential Early Career Award for forskere og ingeniører for denne milepæl i 2011. Det var atomer af dysprosium, forskerne læssede ind i det lufttætte kammer.

Forskerne kan indstille, hvordan disse atomer påvirker deres naboer. De kan få vuggen til at fungere som om atomerne ikke er magnetiske, så den vil producere den periodiske bevægelse, der er typisk for Newtons vugge. Eller de kan producere kaotisk bevægelse ved at skrue op for magnetismen - som en Newtons vugge med magneter fastgjort til kuglerne.

Indtil nu, fysikere har ikke haft en teori om, hvordan termalisering opstår i subtilt kaotiske kvantesystemer. Tidligere forskning med beregningssimuleringer har resulteret i forskellige konklusioner. Nu, gennem deres eksperimenter, forskerne viste direkte, at vuggernes oscillation nåede ligevægt i en sekvens af to eksponentielle trin, hvilket var et uventet resultat.

De bekræftede også deres eksperimentelle resultater i en omfattende computersimulering. Baseret på disse eksperimenter og simuleringer, gruppen udviklede en teori, der forklarer deres fund.

”Det betyder, at vi kan have en meget generel, simpel teori for, hvor komplicerede kvantesystemer som dette termiseres, "Lev sagde." Det er smukt, fordi det giver dig mulighed for at oversætte det til andre systemer. "

Atom for atom

Allerede, forskerne har flere eksperimenter planlagt til den magnetiske kvante Newtons vugge, og de forudser mange flere muligheder for at bygge videre på dette arbejde, når kvanterevolutionen udvikler sig.

"Meget sofistikerede laserteknologier kan manipulere systemer atom for atom, "sagde Yijun Tang, en nyuddannet doktorand i Lev -laboratoriet og hovedforfatter af papiret. "Så, måske hvad vi kan gøre vil gå ud over fundamentale videnskabelige spørgsmål. Måske, på et tidspunkt, Vi kan også gøre disse teknologier til noget mere praktisk. "

I de kommende forsøg, forskerne kan tilføre uorden til vuggerørene, i form af plettet laserlys, for at se, om de kan skabe en slags kvanteglas, der undgår termalisering. De eksperimenter, der bidrog til dette papir, blev alle udført med en version af dysprosium -isotoper, kaldet bosoner, så gruppen planlægger også at gentage sit arbejde med den alternative version, fermioner. De er ikke sikre på, om ændringen til fermioner vil gøre en forskel for termalisering, Lev sagde, og de ville glæde sig over endnu en overraskelse.