Met zijn opgehangen metalen bollen die heen en weer klikken, De wieg van Newton is meer dan een populair speelgoed voor op de desktop. Het heeft een generatie studenten geleerd over het behoud van momentum en energie. Het is ook de inspiratie voor een experiment Benjamin Lev, universitair hoofddocent natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de Stanford University, heeft gemaakt om kwantumsystemen te bestuderen.

Lev en zijn groep bouwden hun eigen kwantumversie van de wieg van Newton om vragen te beantwoorden over hoe de chaotische beweging van kwantumdeeltjes uiteindelijk leidt tot thermisch evenwicht in een proces dat thermalisatie wordt genoemd. Beantwoorden hoe dit gebeurt in kwantumsystemen kan helpen bij het ontwikkelen van kwantumcomputers, sensoren en apparaten, die Lev omschrijft als een 'kwantumtechnische revolutie'.

"Als we apparaten willen maken die robuust en nuttig zijn, we moeten begrijpen hoe kwantumsystemen zich uit evenwicht gedragen - wanneer ze worden geschopt, zoals de wieg van Newton - op een zo fundamenteel niveau als we dat voor klassieke systemen begrijpen, ' zei Lev.

Met de wieg, zagen de onderzoekers voor het eerst hoe, na het induceren van kleine hoeveelheden chaotische beweging, een kwantumsysteem bereikt thermisch evenwicht. Ze publiceerden hun bevindingen op 2 mei in Fysieke beoordeling X .

De resultaten van deze experimenten, die niet pasten bij eerdere voorspellingen, hebben geleid tot een theorie over hoe dit proces werkt in kwantumsystemen.

Extreem koud, sterk magnetisch

De turbulente werveling van melk zoals die aan koffie wordt toegevoegd, is een bekend voorbeeld van chaos in de niet-kwantumwereld. Overuren, het koffiemengsel wordt homogeen en, daarom, evenwicht bereikt. Wat het Lev-lab wilde weten, is hoe deze evolutie plaatsvindt in kwantumsystemen nadat ze slechts een vleugje chaos hebben veroorzaakt. Door experimenten met hun wieg, de onderzoekers waren de eersten die dit proces observeerden terwijl het gebeurde.

De quantum Newton-wieg van het Lev-lab is anders dan alles wat je in het hokje van je collega hebt gezien. De onderzoekers schijnen laserstralen door een luchtdichte kamer om een ​​gas van atomen af ​​te koelen tot bijna het absolute nulpunt - een van de koudste bekende gassen in het universum - en dan laden ze die atomen in een reeks laserbuizen die fungeren als de structuur voor de De wieg van Newton. Elk van de 700 parallelle wiegen bevat ongeveer 50 atomen op een rij. Vervolgens, een andere laser schopt tegen de atomen, het starten van de beweging van de wieg.

In tegenstelling tot een eerdere kwantumwieg van Newton, ontwikkeld door David Weiss in Penn State, waar zwak magnetische atomen de plaats innamen van de metalen bollen van de wieg, De wieg van het Lev-lab bevat sterk magnetische atomen.

Dit werk bouwt voort op de eerdere prestatie van het laboratorium om het eerste kwantumgas van het zeer magnetische element dysprosium te maken - verbonden met terbium als het meest magnetische van alle elementen. President Obama gaf Lev een Presidential Early Career Award voor wetenschappers en ingenieurs voor deze mijlpaal in 2011. Het waren atomen van dysprosium die de onderzoekers in de luchtdichte kamer laadden.

De onderzoekers kunnen afstemmen hoe deze atomen hun buren beïnvloeden. Ze kunnen de wieg doen werken alsof de atomen niet magnetisch zijn, zodat het de periodieke beweging zal produceren die typerend is voor de wieg van Newton. Of ze kunnen een chaotische beweging produceren door het magnetisme te verhogen - zoals een Newtons wieg met magneten die aan de bollen zijn vastgemaakt.

Tot nu, natuurkundigen hebben geen theorie gehad over hoe thermalisatie ontstaat in subtiel chaotische kwantumsystemen. Eerder onderzoek met computationele simulaties heeft geleid tot uiteenlopende conclusies. Nutsvoorzieningen, door hun experimenten, de onderzoekers toonden direct aan dat de oscillatie van de wiegen een evenwicht bereikte in een reeks van twee exponentiële stappen, wat een onverwacht resultaat was.

Ze bevestigden hun experimentele resultaten ook in een uitgebreide computersimulatie. Op basis van deze experimenten en simulaties, de groep ontwikkelde een theorie die hun bevindingen verklaart.

"Het betekent dat we een heel algemene, eenvoudige theorie voor hoe gecompliceerde kwantumsystemen zoals deze thermaliseren, "Zei Lev. "Dat is mooi omdat je dat kunt vertalen naar andere systemen."

Atoom voor atoom

Nu al, de onderzoekers hebben verschillende experimenten gepland voor de magnetische kwantumwieg van Newton en ze verwachten nog veel meer mogelijkheden om op dit werk voort te bouwen naarmate de kwantumrevolutie evolueert.

"Zeer geavanceerde lasertechnologieën kunnen systemen atoom voor atoom manipuleren, " zei Yijun Tang, een recent afgestudeerde doctoraatsstudent in het Lev-lab en hoofdauteur van het artikel. "Dus, misschien gaat wat we kunnen doen verder dan fundamentele wetenschappelijke vragen. Kan zijn, op een gegeven moment, we kunnen deze technologieën ook in iets praktischer omzetten."

In de komende experimenten, de onderzoekers kunnen wanorde toevoegen aan de buizen van de wieg, in de vorm van gespikkeld laserlicht, om te zien of ze een soort kwantumglas kunnen maken dat thermalisatie ontwijkt. De experimenten die aan dit artikel hebben bijgedragen, zijn allemaal gedaan met één versie van dysprosiumisotopen, genaamd bosonen, dus de groep is ook van plan om haar werk te herhalen met de alternatieve versie, fermionen. Ze weten niet zeker of de verandering naar fermionen een verschil zal maken voor thermalisatie, Lev zei, en ze zouden nog een verrassing verwelkomen.