Uventet drejning i et kvantesystem

Fysikere ved ETH Zürich har observeret en overraskende drejning i et kvantesystem forårsaget af samspillet mellem energidissipation og sammenhængende kvantedynamik. For at forklare det, de fandt en konkret analogi til mekanik.

"Ingen videnskabsmand tænker i formler, " Albert Einstein fortalte angiveligt engang sin kollega Leopold Infeld. Faktisk, især for fysikere, der beskæftiger sig med så abstrakte ting som kvantefysik, det er ofte uhyre nyttigt at arbejde med konkrete billeder frem for matematiske symboler. Et team af forskere ledet af Tilman Esslinger, professor ved Institut for Kvanteelektronik ved ETH Zürich, oplevede dette, da de for nylig opdagede en ny effekt i deres kvantemekaniske system. Selvom de studerede bittesmå atomer og lyspartikler i deres eksperiment, de var i stand til at forstå deres observationer bedre gennem et iørefaldende billede:en aksel, der drejede inde i et leje. Deres resultater er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Et komplekst kvantesystem

"Vi havde slet ikke ledt efter den effekt, " siger Esslinger. "Kun med bagklogskaben forstod vi, hvad vores data betyder." Han og hans medarbejdere havde tacklet et meget komplekst emne:et kvantesystem, hvor de enkelte partikler interagerer stærkt med hinanden, og som samtidig er drevet af udenfor og også dissipativ. "Dissipativ" betyder, at partiklernes kvantetilstande ikke bare udvikler sig sammenhængende over tid – dvs. sådan at deres superpositionstilstande forbliver intakte. Hellere, en kontrolleret forbindelse til omverdenen får superpositionstilstandene til at forsvinde lidt efter lidt. Hvis spredningen er meget kraftig, de forsvinder meget hurtigt, og som følge heraf opfører partiklerne sig næsten som i klassisk fysik, som vi kender fra hverdagens erfaring. Uden nogen form for dissipation, på den anden side, den måde, partikelsystemet udvikler sig på i tiden, er udelukkende dikteret af kvantemekanik - et ideelt tilfælde, der bruges af fysikere til at bygge kvantecomputere, for eksempel.

Atomiske mønstre

"De to yderpunkter kan beregnes og forstås ret godt, " forklarer Tobias Donner, der arbejder som seniorforsker i Esslingers laboratorium. "Derimod det er meget sværere at håndtere systemer i midten, hvor sammenhængende evolution og dissipation er lige vigtige." At bygge et sådant kvantesystem i laboratoriet, fysikerne kølede atomer ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt på omkring -273 grader celsius og udsatte dem for en fokuseret laserstråle, der fanger og driver atomerne inde i et slags gitter lavet af lys. Hvert atom har også et "spin", der kan pege op eller ned (meget ligesom en kompasnål, der peger mod nord eller syd). Oven i købet, de kolde atomer er omgivet inde i et hulrum af to spejle, der reflekterer lyset spredt af atomerne frem og tilbage.

Samspillet mellem atomerne, laserstrålen og lyset i hulrummet får nu atomerne til at arrangere sig spontant i et skakternet mønster. Dette kan ske på to forskellige måder. I en af ​​dem, der er kun atomer på de "hvide" firkanter, som det var, hvorimod de sorte firkanter forbliver tomme (se figur). I det andet tilfælde er der også to typer firkanter, rød og grøn, men nu er de røde firkanter kun optaget af atomer, hvis spin peger opad, hvorimod der på de grønne firkanter kun er atomer, hvis spin peger nedad.

Overraskende twist

Hvilket af de to alternativer atomerne foretrækker afhænger af oscillationsretningen af ​​laserstrålen, der bestråler dem, strengt i henhold til kvantemekanikkens regler - i det mindste, det er, hvis atomerne ikke udsættes for nogen spredning. Da fysikerne udførte eksperimentet i et regime, hvor påvirkningen af ​​dissipation (forårsaget af et tab af fotoner fra hulrummet) var stor nok, der skete noget usædvanligt. "Vores data viste os ikke længere et af de to mønstre, men snarere virkede det som om atomerne vendte sig gennem mønstrene igen og igen, med en særlig følelse af rotation, " Esslinger beskriver de uventede resultater. "Det var en spændende opdagelse - men vi havde absolut ingen idé om, hvorfor det skete."

En usædvanlig kraft

Ved at forenkle de kvantemekaniske ligninger, der beskriver deres eksperiment, fysikerne var til sidst i stand til at opdage en analogi til et mekanisk system. Faktisk, formlerne havde en slående lighed med dem, der beskriver en aksel, der drejer inde i et leje. Mellem akslen og lejet, der er et tyktflydende smøremiddel, der skal sikre en ensartet rotation. Imidlertid, hvis akslen bevæger sig lidt væk fra midten af ​​lejet, der opstår en ret usædvanlig form for friktionskraft, der afhænger af akslens position. Kraften opstår, fordi afstanden mellem den roterende aksel og det stationære leje i én retning reduceres, og derfor virker forskellige friktionskræfter på akslen og lejet. Den resulterende positionsafhængige kraft er vinkelret på den retning, som akslen har bevæget sig i. Som en konsekvens, midten af ​​akslen begynder at spiralere rundt om midten af ​​lejet.

Nu hvor fysikerne er i stand til at beskrive den uventede kvanteeffekt med et konkret billede, de tænker allerede på næste skridt:at udnytte det til bevidst at styre og kontrollere kvantesystemer. "Normalt, dissipation ændrer eller svækker eksisterende kvanteeffekter - men her har vi en effekt, der faktisk skylder sin eksistens til dissipation, " siger Esslinger. Hvorvidt lignende effekter muligvis kunne være mere udbredte i kvantesystemer, og hvordan de kan bruges i de kvanteteknologier, der i øjeblikket udvikles, er derfor spørgsmål, der nu ligger forskerne på sinde.