Fysikere kaster lys over en anden form for kaos

Fysikere ved UC Santa Barbara, University of Maryland og University of Washington har fundet et svar på det mangeårige fysikspørgsmål:Hvordan påvirker interpartikelinteraktioner dynamisk lokalisering?

"Det er et rigtig gammelt spørgsmål, der er nedarvet fra det kondenserede stofs fysik," sagde David Weld, en eksperimentel fysiker ved UCSB med speciale i ultrakold atomfysik og kvantesimulering. Spørgsmålet falder ind under kategorien "mange-legeme"-fysik, som undersøger de fysiske egenskaber af et kvantesystem med flere interagerende dele. Mens mange-kropsproblemer har været et spørgsmål om forskning og debat i årtier, fører kompleksiteten af ​​disse systemer, med kvanteadfærd som superposition og sammenfiltring, til et væld af muligheder, hvilket gør det umuligt at løse gennem beregning alene. "Mange aspekter af problemet er uden for rækkevidde af moderne computere," tilføjede Weld.

Heldigvis var dette problem ikke uden for rækkevidde af et eksperiment, der involverer ultrakolde lithiumatomer og lasere. Så hvad kommer der frem, når du introducerer interaktion i et uordnet, kaotisk kvantesystem? En "underlig kvantetilstand," ifølge Weld. "Det er en tilstand, som er anomal, med egenskaber, som i en eller anden forstand ligger mellem den klassiske forudsigelse og den ikke-interagerende kvanteforudsigelse."

Fysikernes resultater er publiceret i tidsskriftet Nature Physics .

'Der sker noget mærkeligt'

Når det kommer til mærkelig, kontraintuitiv adfærd, skuffer kvanteverdenen ikke. Tag for eksempel et almindeligt pendul, som ville opføre sig præcis, som vi ville forvente det, når det udsættes for energiimpulser.

"Hvis du sparker den og ryster den op og ned en gang imellem, vil et klassisk pendul kontinuerligt absorbere energi, begynde at vrikke over det hele og udforske hele parameterrummet kaotisk," sagde Weld.

I kvantesystemer ser kaos anderledes ud. I stedet for bevægelse kan uorden bringe partikler til en slags stilstand. Og mens et sparket kvantependul eller "rotor" måske først absorberer energi fra sparkene – svarende til et klassisk pendul – med gentagne spark, stopper systemet med at absorbere energi, og momentumfordelingen fryser, i det, der er kendt som en dynamisk lokaliseret tilstand. Denne lokalisering er tæt analog med opførselen af ​​et "beskidt" elektronisk fast stof, hvor uorden resulterer i immobile, lokaliserede elektroner, hvilket får faststoffet til at gå fra at være et metal eller en leder (bevægelige elektroner) til at være en isolator.

Mens denne lokaliseringstilstand er blevet udforsket i årtier i sammenhæng med enkelte, ikke-interagerende partikler, hvad sker der i et uordnet system med flere, interagerende elektroner? Spørgsmål som dette og relaterede aspekter af kvantekaos var i tankerne hos Weld og hans medforfatter, University of Maryland-teoretikeren Victor Galitski, under en diskussion for flere år siden, da Galitski besøgte Santa Barbara.

"Hvad Victor rejste var spørgsmålet om, hvad der sker, hvis du i stedet for dette rene ikke-interagerende kvantesystem, som er stabiliseret af interferens, har en masse af disse rotorer, og de kan alle støde ind i og interagere med hinanden," huskede Weld. "Forsvarer lokaliseringen, eller ødelægges den af ​​interaktionerne?"

"Det er faktisk et meget vanskeligt spørgsmål, der relaterer til grundlaget for statistisk mekanik og den grundlæggende forestilling om ergodicity, hvorved de fleste interagerende systemer til sidst termaliserer til en universel tilstand," sagde Galitski.

Forestil dig et øjeblik at hælde kold mælk i varm kaffe. Partiklerne i din kop vil over tid og gennem deres interaktioner arrangere sig selv i en ensartet ligevægtstilstand, der hverken er ren varm kaffe eller kold mælk. Denne type adfærd - termalisering - blev forventet af alle interagerende systemer. Det vil sige, indtil for omkring 16 år siden, hvor det blev hævdet, at forstyrrelser i et kvantesystem mentes at resultere i mange-krops lokalisering (MBL).

"Dette fænomen, som blev anerkendt af Lars Onsager-prisen tidligere i år, er vanskeligt at bevise teoretisk eller etablere eksperimentelt," sagde Galitski.

Welds gruppe havde teknologien og ekspertisen til at kaste lys over situationen, bogstaveligt talt. I deres laboratorium er en gas af 100.000 ultrakolde lithium-atomer suspenderet i en stående bølge af lys. Hvert atom repræsenterer en kvanterotor, der kan sparkes af laserimpulser.

"Vi kan bruge et værktøj kaldet en Feshbach-resonans til at holde atomerne skjult fra hinanden, eller vi kan få dem til at hoppe af hinanden med vilkårligt stærke interaktioner," sagde Weld. Ved at dreje på en knap kunne forskerne få lithiumatomerne til at gå fra linedance til mosh pit og fange deres adfærd.

Som forventet, da atomerne var usynlige for hinanden, tog de laseren op til et vist punkt, hvorefter de stoppede med at bevæge sig i deres dynamisk lokaliserede tilstand, trods gentagne spark. Men da forskerne ringede op for interaktionen, faldt ikke kun den lokale tilstand, men systemet så ud til at absorbere energi fra de gentagne spark og efterligne klassisk kaotisk adfærd.

Weld påpegede imidlertid, at mens det interagerende uordnede kvantesystem absorberede energi, gjorde det det i en meget langsommere hastighed end et klassisk system ville gøre.

"Det, vi ser, er noget, der absorberer energi, men ikke så godt, som et klassisk system kan," sagde han. "Og det ser ud til, at energien vokser nogenlunde med kvadratroden af ​​tid i stedet for lineært med tiden. Så interaktionerne gør det ikke klassisk; det er stadig en mærkelig kvantetilstand, der udviser unormal ikke-lokalisering."

Test for kaos

Welds team brugte en teknik kaldet et "ekko", hvor den kinetiske evolution køres fremad og derefter bagud for direkte at måle den måde, hvorpå interaktioner ødelægger tidsreversibilitet. Denne ødelæggelse af tidsreversibilitet er en nøglesignatur på kvantekaos.

"En anden måde at tænke på dette er at spørge:Hvor meget hukommelse af den oprindelige tilstand har systemet efter nogen tid?" sagde medforfatter Roshan Sajjad, en kandidatstuderende forsker på lithium-teamet. I fravær af forstyrrelser som f.eks. omstrejfende lys eller gaskollisioner, forklarede han, burde systemet være i stand til at vende tilbage til sin oprindelige tilstand, hvis fysikken køres baglæns. "I vores eksperiment vender vi tiden ved at vende fasen af ​​sparkene, og 'fortryder' virkningerne af det første normale sæt af spark," sagde han. "En del af vores fascination var, at forskellige teorier havde forudsagt forskellig adfærd om resultatet af denne type interagerende opsætning, men ingen havde nogensinde lavet eksperimentet."

"Den grove idé om kaos er, at selvom bevægelseslovene er tidsreversible, kan et system med mange partikler være så kompliceret og følsomt over for forstyrrelser, at det praktisk talt er umuligt at vende tilbage til sin oprindelige tilstand," sagde hovedforfatter Alec Cao. Twist var, at i en effektivt uordnet (lokaliseret) tilstand brød interaktionerne lokaliseringen noget, selvom systemet mistede sin kapacitet til at vendes om i tid, forklarede han

"Naivt nok ville man forvente, at interaktioner ville ødelægge tidsskift, men vi så noget mere interessant:En lille smule interaktion hjælper faktisk," tilføjede Sajjad. "Dette var et af de mere overraskende resultater af dette arbejde."

Weld og Galitski var ikke de eneste, der var vidne til denne uklare kvantetilstand. University of Washington fysiker Subhadeep Gupta og hans team kørte et komplementært eksperiment på samme tid, der producerede lignende resultater ved hjælp af tungere atomer i en en-dimensionel sammenhæng. Dette resultat er offentliggjort sammen med resultaterne fra UC Santa Barbara og University of Maryland i Nature Physics .

"Eksperimenterne på UW opererede i et meget vanskeligt fysisk regime med 25 gange tungere atomer begrænset til kun at bevæge sig i én dimension, men målte også svagere end lineær energivækst fra periodisk spark, hvilket kastede lys over et område, hvor teoretiske resultater har været i konflikt," sagde Gupta, hvis gruppe samarbejdede med teoretikeren Chuanwei Zhang og hans team ved University of Texas i Dallas.

Disse resultater, ligesom mange vigtige fysikresultater, åbner op for flere spørgsmål og baner vejen for flere kvantekaoseksperimenter, hvor den eftertragtede forbindelse mellem klassisk og kvantefysik kan blive afdækket.

"Davids eksperiment er det første forsøg på at undersøge en dynamisk version af MBL i et mere kontrolleret laboratoriemiljø," kommenterede Galitski. "Selvom det ikke entydigt har løst det grundlæggende spørgsmål på den ene eller anden måde, viser dataene, at noget mærkeligt foregår."

"Hvordan kan vi forstå disse resultater i sammenhæng med det meget store arbejde med mange-legeme lokalisering i kondenseret stof systemer?" spurgte Weld. "Hvordan kan vi karakterisere denne tilstand af stof? Vi observerer, at systemet delokaliserer, men ikke med den forventede lineære tidsafhængighed; hvad sker der der? Vi ser frem til fremtidige eksperimenter, der udforsker disse og andre spørgsmål." + Udforsk yderligere

Fysikere rapporterer om 'kvanteboomerang'-effekt i uordnede systemer