Natuurkundigen van ETH Zürich hebben een verrassende wending waargenomen in een kwantumsysteem, veroorzaakt door het samenspel tussen energiedissipatie en coherente kwantumdynamica. Om het uit te leggen, ze vonden een concrete analogie met mechanica.

"Geen enkele wetenschapper denkt in formules, " Albert Einstein zou ooit tegen zijn collega Leopold Infeld hebben gezegd. speciaal voor natuurkundigen, die zich bezighouden met abstracte zaken als kwantumfysica, het is vaak enorm nuttig om met concrete afbeeldingen te werken in plaats van wiskundige symbolen. Een team van onderzoekers onder leiding van Tilman Esslinger, professor aan het Institute for Quantum Electronics aan de ETH Zürich, ondervonden dit toen ze onlangs een nieuw effect ontdekten in hun kwantummechanische systeem. Hoewel ze in hun experiment kleine atomen en lichtdeeltjes bestudeerden, ze konden hun waarnemingen beter begrijpen door een pakkend beeld:een as die in een lager draait. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Een complex kwantumsysteem

"We waren eigenlijk helemaal niet op zoek naar dat effect, ", zegt Esslinger. "Pas achteraf begrepen we wat onze data betekenen." Hij en zijn collega's hadden een zeer complex onderwerp aangepakt:een kwantumsysteem waarin de afzonderlijke deeltjes sterk met elkaar interageren en dat tegelijkertijd wordt aangedreven door de buiten en ook dissipatief.'Dissipatief' betekent dat de kwantumtoestanden van de deeltjes niet alleen coherent in de tijd evolueren - dat wil zeggen, zodat hun superpositietoestanden intact blijven. Liever, een gecontroleerde verbinding met de buitenwereld zorgt ervoor dat de superpositietoestanden beetje bij beetje verdwijnen. Als de dissipatie erg sterk is, ze verdwijnen heel snel, en als resultaat gedragen de deeltjes zich dan bijna zoals in de klassieke natuurkunde, die we uit de dagelijkse ervaring kennen. Zonder enige dissipatie, anderzijds, de manier waarop het deeltjessysteem in de tijd evolueert, wordt puur gedicteerd door de kwantummechanica - een ideaal geval dat door natuurkundigen wordt gebruikt om kwantumcomputers te bouwen, bijvoorbeeld.

Atomaire patronen

"Die twee uitersten kunnen heel goed worden berekend en begrepen, " legt Tobias Donner uit, die werkt als Senior Scientist in het lab van Esslinger. "Daarentegen, het is veel moeilijker om met systemen in het midden om te gaan, waar coherente evolutie en dissipatie even belangrijk zijn." Om zo'n kwantumsysteem in het laboratorium te bouwen, de natuurkundigen koelden atomen af ​​tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt van ongeveer -273 graden Celsius en stelden ze bloot aan een gerichte laserstraal die de atomen opsluit en voortstuwt in een soort lichtrooster. Elk atoom heeft ook een "spin" die naar boven of naar beneden kan wijzen (net als een kompasnaald die naar het noorden of zuiden wijst). Daarbovenop, de koude atomen zijn in een holte omgeven door twee spiegels die het door de atomen verstrooide licht weerkaatsen.

Het samenspel tussen de atomen, de laserstraal en het licht in de holte zorgen er nu voor dat de atomen zich spontaan rangschikken in een schaakbordpatroon. Dit kan op twee verschillende manieren gebeuren. Bij een van hen, er zijn alleen atomen op de "witte" vierkanten, als het ware, terwijl de zwarte vierkantjes leeg blijven (zie figuur). In het andere geval zijn er ook twee soorten vierkanten, rood en groen, maar nu worden de rode vierkanten alleen ingenomen door atomen waarvan de spins naar boven wijzen, terwijl er op de groene vierkanten alleen atomen zijn waarvan de spins naar beneden wijzen.

Verrassende draai

Welke van de twee alternatieven de atomen prefereren, hangt af van de oscillatierichting van de laserstraal die ze bestraalt, strikt volgens de regels van de kwantummechanica - tenminste, dat is, als de atomen niet worden blootgesteld aan enige dissipatie. Toen de natuurkundigen het experiment uitvoerden in een regime waar de invloed van dissipatie (veroorzaakt door een verlies van fotonen uit de holte) groot genoeg was, er gebeurde iets ongewoons. "Onze gegevens lieten ons niet langer een van de twee patronen zien, maar het leek eerder alsof de atomen keer op keer door de patronen draaiden, met een bepaalde draairichting, Esslinger beschrijft de onverwachte resultaten. "Dat was een opwindende ontdekking, maar we hadden absoluut geen idee waarom het gebeurde."

Een ongebruikelijke kracht

Door de kwantummechanische vergelijkingen die hun experiment beschrijven te vereenvoudigen, de natuurkundigen waren uiteindelijk in staat om een ​​analogie met een mechanisch systeem te ontdekken. In feite, de formules vertoonden een opvallende gelijkenis met die die een as beschrijven die in een lager draait. Tussen de as en het lager, er is een stroperig smeermiddel dat voor een gelijkmatige rotatie moet zorgen. Echter, als de as iets van het midden van het lager af beweegt, er ontstaat een nogal ongebruikelijk soort wrijvingskracht die afhangt van de positie van de as. De kracht ontstaat doordat in één richting de afstand tussen de roterende as en het stationaire lager wordt verkleind, en daardoor werken verschillende wrijvingskrachten op de as en het lager. De resulterende positieafhankelijke kracht staat loodrecht op de richting waarin de as is bewogen. Als gevolg hiervan, het midden van de as begint rond het midden van het lager te draaien.

Nu de natuurkundigen in staat zijn om het onverwachte kwantumeffect te beschrijven met een concreet beeld, ze denken al na over de volgende stap:het benutten om kwantumsystemen bewust te sturen en te controleren. "Normaal gesproken, dissipatie verandert of verzwakt bestaande kwantumeffecten, maar hier hebben we een effect dat zijn bestaan ​​eigenlijk te danken heeft aan dissipatie, ", zegt Esslinger. Of soortgelijke effecten mogelijk meer wijdverspreid zijn in kwantumsystemen, en hoe ze kunnen worden gebruikt in de kwantumtechnologieën die momenteel worden ontwikkeld, zijn daarom vragen waar de onderzoekers nu mee bezig zijn.