Åbent kvantesystem viser universel adfærd

Universel adfærd er en central egenskab ved faseovergange, som for eksempel kan ses i magneter, der ikke længere er magnetiske over en bestemt temperatur. Et team af forskere fra Kaiserslautern, Berlin og Hainan, Kina, er for første gang lykkedes med at observere en sådan universel adfærd i den tidsmæssige udvikling af et åbent kvantesystem, et enkelt cæsiumatom i et bad af rubidiumatomer.

Denne opdagelse hjælper med at forstå, hvordan kvantesystemer når ligevægt. Dette er af interesse for udviklingen af ​​f.eks. kvanteteknologier. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i Nature Communications .

Faseovergange i kemi og fysik er ændringer i et stofs tilstand, for eksempel ændringen fra en flydende til en gasfase, når en ekstern parameter såsom temperatur eller tryk ændres.

"Magneter er et godt eksempel," siger professor Dr. Artur Widera, der leder enheden for individuelle kvantesystemer ved University Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"Ferromagneter viser spontan magnetisering uden et eksternt magnetfelt, dvs. de er i sagens natur magnetiske, men kun under en vis kritisk temperatur. Når temperaturen stiger over dette punkt, gennemgår systemet en kontinuerlig faseovergang; over denne temperatur er materialet ikke længere magnetisk."

I et eksperiment kan en universel adfærd ved en faseovergang specifikt induceres ved at ændre en parameter som tryk, magnetisme eller temperatur. Det specielle er, at denne adfærd af en fysisk størrelse "kan beskrives af nogle få kritiske parametre," fortsætter Widera, "som igen er uafhængige af detaljerne i det pågældende system."

Kan denne universelle adfærd også observeres i kvanteverdenen, dvs. på atom- og subatomært niveau?

I den aktuelle undersøgelse placerede Wideras forskerhold individuelle cæsiumatomer i en specifik kvantetilstand og nedsænkede dem i en gas af rubidiumatomer. Denne kombination af et enkelt kvantesystem (cæsium), der interagerer med rubidiumbadet, omtales i fagkredse også som et åbent kvantesystem. Både cæsiumatomerne og rubidiumatomerne blev kølet ned til næsten det absolutte nulpunkt.

"I modsætning til de sædvanlige observationer var tiden i vores eksperiment parameteren, der skulle nå et kritisk punkt, eller kritisk tidspunkt," siger Dr. Jens Nettersheim, forskningsassistent ved Widera og medforfatter af undersøgelsen. For at opnå dette var forskerne nødt til at ophidse kvantesystemet med en masse energi.

"Det, vi nu har observeret, er, at entropien først stiger, efterhånden som systemet udvikler sig over tid," tilføjer Ling-Na Wu, en teoretisk fysiker, der fulgte med projektet og er førsteforfatter til undersøgelsen.

Forskere forstår udtrykket entropi som et mål for lidelsen i et bestemt system og derfor også muligheden for, at partikler arrangerer sig i et system - som i dette tilfælde cæsium- og rubidiumatomerne. Jo større uorden i et system, jo ​​højere entropi og omvendt. Wu siger:"Dette sker, indtil entropien når sin maksimale værdi, som så falder igen."

Det er netop på dette tidspunkt, det kritiske tidspunkt, at kvantesystemets universelle adfærd sætter ind. André Eckardt, professor i teoretisk fysik ved Technische Universität (TU) Berlin, som ledede det teoretiske arbejde med dette projekt, forklarer, " På dette tidspunkt sker følgende:Billedligt talt mister systemet sin hukommelse om, hvad der skete tidligere, eller om den nøjagtige begyndelsestilstand. Den efterfølgende dynamik er universel. I fysik betyder det, at adfærden kan beskrives med en formel og en parameter.

Undersøgelsen viser, at der i åbne kvantesystemer er universel adfærd med hensyn til tid. Med dette arbejde bidrager fysikerne til en bedre forståelse af den grundlæggende funktion af sådanne systemer. "Det er stadig ikke helt klart, hvordan sådanne åbne kvantesystemer frigiver energi, dvs. slapper af, og hvordan præcis termodynamisk ligevægt opnås," forklarer Widera.

Mange tekniske applikationer fungerer i dag kun takket være den kvanteteknologi, der er indbygget i dem. I fremtiden vil det spille en stadig vigtigere rolle, for eksempel i kvantecomputere eller kvantesensorer. Det er derfor vigtigt at forstå, hvad der sker i sådanne systemer, og hvordan de interagerer med deres omgivelser.

Wideras team udførte eksperimenterne på RPTU i Kaiserslautern; det teoretiske arbejde til denne undersøgelse blev leveret af arbejdsgruppen ledet af professor Dr. André Eckardt fra Instituttet for Teoretisk Fysik ved TU Berlin, med Ling-Na Wu fra Hainan Universitet i Kina også involveret.

Flere oplysninger: Ling-Na Wu et al., Indikation af kritisk skalering i tid under afslapning af et åbent kvantesystem, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9

Leveret af Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau