Fysikere bruger klassiske begreber til at tyde mærkelig kvanteadfærd i en ultrakold gas

Der var de, i al deres underlige kvanteherlighed:ultrakolde lithiumatomer i den optiske fælde, der drives af UC Santa Barbara studerende Alec Cao og hans kolleger i David Welds atomfysikgruppe. Holdt af lasere i en almindelig, gitterdannelse og "drevet" af energiimpulser, disse atomer lavede skøre ting.

"Det var lidt bizart, " sagde Weld. "Atomer ville blive pumpet i én retning. Nogle gange blev de pumpet i en anden retning. Nogle gange ville de rive fra hinanden og lave disse strukturer, der lignede DNA."

Disse nye og uventede adfærd var resultaterne af et forsøg foretaget af Cao, Weld og kolleger til at rykke grænserne for vores viden om kvanteverdenen. resultaterne? Nye retninger inden for dynamisk kvanteteknik, og en fristende vej mod en forbindelse mellem klassisk og kvantefysik.

Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Physical Review Research .

"Der sker en masse sjove ting, når du ryster et kvantesystem, sagde Weld, hvis laboratorium skaber "kunstige faste stoffer" - lavdimensionelle gitter af lette og ultrakolde atomer - for at simulere opførselen af ​​kvantemekaniske partikler i mere tætpakket ægte faste stoffer, når de udsættes for drivkræfter. De seneste eksperimenter var de seneste i en række af ræsonnementer, der strækker sig tilbage til 1929, da fysiker og nobelpristager Felix Bloch første gang forudsagde, at inden for rammerne af en periodisk kvantestruktur, en kvantepartikel under en konstant kraft vil oscillere.

"De sloss faktisk frem og tilbage, som er en konsekvens af stoffets bølgenatur, "Sagde Weld. Mens disse positions-rum-Bloch-svingninger blev forudsagt for næsten et århundrede siden, de blev observeret direkte kun relativt nylig; Faktisk var Welds gruppe den første til at se dem i 2018, med en metode, der gjorde disse ofte hurtige, uendeligt små skvulp store og langsomme, og let at se.

For et årti siden, andre eksperimenter tilføjede en tidsafhængighed til Blochs oscillerende system ved at udsætte det for en yderligere, periodisk kraft, og fandt endnu mere intens aktivitet. Oscillationer oven på svingninger - super Bloch-svingninger - blev opdaget.

Til denne undersøgelse, forskerne tog systemet endnu et skridt videre, ved at ændre det rum, hvori disse atomer interagerer.

"Vi ændrer faktisk gitteret, " sagde Weld, ved hjælp af varierende laserintensiteter og eksterne magnetiske kræfter, der ikke kun tilføjede en tidsafhængighed, men også buede gitteret, skabe et inhomogent kraftfelt. Deres metode til at skabe store, langsomme svingninger, han tilføjede, "gav os muligheden for at se på, hvad der sker, når man har et Bloch oscillerende system i et inhomogent miljø."

Det var da tingene blev mærkelige. Atomerne skød frem og tilbage, nogle gange spredes fra hinanden, andre gange skaber mønstre som reaktion på de energiimpulser, der skubber på gitteret på forskellige måder.

"Vi kunne følge deres fremskridt med tal, hvis vi arbejdede hårdt på det, " sagde Weld. "Men det var lidt svært at forstå, hvorfor de gør det ene og ikke det andet."

Det var indsigt fra Cao, avisens hovedforfatter, det førte til en måde at tyde den mærkelige adfærd på.

"Da vi undersøgte dynamikken for alle tider på én gang, vi så bare et rod, fordi der ikke var nogen underliggende symmetri, gør fysikken udfordrende at fortolke, " sagde Cao, der begynder sit fjerde år på UCSB's College of Creative Studies.

For at tegne symmetrien, forskerne forenklede denne tilsyneladende kaotiske adfærd ved at eliminere en dimension (i dette tilfælde, tid) ved at bruge en matematisk teknik, der oprindeligt blev udviklet til at observere klassisk ikke-lineær dynamik kaldet en Poincaré-sektion.

"I vores eksperiment, et tidsinterval er sat af, hvordan vi periodisk ændrer gitteret i tid, " sagde Cao. "Når vi smed alle "imellem" gange ud og kiggede på adfærden én gang hver periode, struktur og skønhed opstod i banernes former, fordi vi respekterede det fysiske systems symmetri korrekt. "At observere systemet kun i perioder baseret på dette tidsinterval gav noget som en stop-motion repræsentation af disse atomers komplicerede, men cykliske bevægelser .

"Det, Alec regnede med, er, at disse stier - disse Poincaré-baner - fortæller os præcis, hvorfor i nogle regimer, hvor atomerne drives, bliver pumpet, mens i andre kørselsregimer spredes atomerne og bryder bølgefunktionen, " tilføjede Weld. En retning forskerne kunne tage herfra, han sagde, er at bruge denne viden til at konstruere kvantesystemer til at få ny adfærd gennem kørsel, med applikationer inden for spirende områder såsom topologisk kvanteberegning.

"Men en anden retning, vi kan tage, er at se på, om vi kan studere fremkomsten af ​​kvantekaos, når vi begynder at gøre ting som at tilføje interaktioner til et drevet system som dette, " sagde Weld.

Det er ikke en lille bedrift. Fysikere har i årtier forsøgt at finde forbindelser mellem klassisk og kvantefysik - en fælles matematik, der kan forklare begreber inden for det ene felt, der tilsyneladende ikke har nogen analog i det andet, såsom klassisk kaos, det sprog, der ikke findes i kvantemekanikken.

"Du har sikkert hørt om sommerfugleeffekten - en sommerfugl, der slår med vingerne i Caribien, kan forårsage en tyfon et sted over hele verden, "sagde Weld." Det er faktisk et træk ved klassiske kaotiske systemer, som har en følsom afhængighed af indledende forhold. Den egenskab er faktisk meget svær at gengive i kvantesystemer - det er gådefuldt at komme med den samme forklaring i kvantesystemer. Så det her er måske en lille del af den forskning."