De kwantumwereld tart schaamteloos intuïties die we hebben ontwikkeld terwijl we tussen relatief grote dingen leefden, zoals auto's, centen en stofdeeltjes. In de kwantumwereld kleine deeltjes kunnen over elke afstand een speciale verbinding behouden, door barrières gaan en tegelijkertijd meerdere paden aflopen.

Een minder bekend kwantumgedrag is dynamische lokalisatie, een fenomeen waarbij een kwantumobject op dezelfde temperatuur blijft ondanks een constante toevoer van energie, waarbij de aanname dat een koud object altijd warmte van een warmer object zal stelen, wordt tegengegaan.

Deze veronderstelling is een van de hoekstenen van de thermodynamica - de studie van hoe warmte zich verplaatst. Het feit dat dynamische lokalisatie dit principe tart, betekent dat er iets ongewoons aan de hand is in de kwantumwereld - en die dynamische lokalisatie kan een uitstekende sonde zijn van waar het kwantumdomein eindigt en de traditionele fysica begint. Begrijpen hoe kwantumsystemen onderhouden, of niet onderhouden, kwantumgedrag is niet alleen essentieel voor ons begrip van het universum, maar ook voor de praktische ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

"Op een gegeven moment, de kwantumbeschrijving van de wereld moet overschakelen naar de klassieke beschrijving die we zien, en men gelooft dat dit gebeurt door middel van interacties, ", zegt JQI-postdoctoraal onderzoeker Colin Rylands.

Tot nu, dynamische lokalisatie is alleen waargenomen voor enkele kwantumobjecten, waardoor het niet heeft bijgedragen aan pogingen om vast te stellen waar de omschakeling plaatsvindt. Om dit probleem te onderzoeken, Rylands, samen met JQI Fellow Victor Galitski en andere collega's, onderzocht wiskundige modellen om te zien of dynamische lokalisatie nog steeds kan optreden wanneer veel kwantumdeeltjes op elkaar inwerken. Om de fysica te onthullen, ze moesten modellen maken om rekening te houden met verschillende temperaturen, interactiesterkten en tijdsduur. De resultaten van het team, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , suggereren dat dynamische lokalisatie kan optreden, zelfs wanneer sterke interacties deel uitmaken van het beeld.

"Dit resultaat is een voorbeeld van waar een enkel kwantumdeeltje zich totaal anders gedraagt ​​dan een klassiek deeltje, en zelfs met de toevoeging van sterke interacties lijkt het gedrag nog steeds op dat van het kwantumdeeltje in plaats van op het klassieke, " zegt Rylands, wie is de eerste auteur van het artikel.

Een Quantum Draaimolen

Het resultaat breidt dynamische lokalisatie uit tot voorbij de oorsprong van één deeltje, in het regime van veel interagerende deeltjes. Maar om het effect te visualiseren, het is nog steeds nuttig om met een enkel deeltje te beginnen. Vaak, dat ene deeltje wordt besproken in termen van een rotor, die je je kunt voorstellen als een draaimolen in de speeltuin (of iets anders dat in een cirkel ronddraait). De energie van een rotor (en zijn temperatuur) is direct gerelateerd aan hoe snel hij draait. En een rotor met een constante toevoer van energie - een die een regelmatige "kick" krijgt - is een handige manier om de verschillen in de energiestroom in de kwantum- en klassieke fysica te visualiseren.

Bijvoorbeeld, stel je voor dat Hercules onvermoeibaar naar een draaimolen jaagt. De meeste van zijn swipes zullen het versnellen, maar af en toe zal een uithaal slecht landen en vertragen. Onder deze (denkbeeldige) omstandigheden, een normale draaimolen zou steeds sneller draaien, steeds meer energie opbouwen totdat trillingen uiteindelijk het hele ding uit elkaar schudden. Dit geeft weer hoe een normale rotor, in theorie, kan eeuwig opwarmen zonder een energielimiet te bereiken.

In de kwantumwereld dingen lopen anders. Voor een kwantumcarrousel verhoogt of verlaagt elke veegbeweging niet alleen de snelheid. In plaats daarvan, elke veegbeweging produceert een kwantumsuperpositie over verschillende snelheden, wat de kans voorstelt om de rotor met verschillende snelheden te vinden. Pas als je een meting doet, komt er een bepaalde snelheid naar voren uit de kwantumsuperpositie die is veroorzaakt door de voorgaande trappen.

Vorig onderzoek, zowel theoretisch als experimenteel, heeft aangetoond dat een kwantumrotor zich in eerste instantie niet heel anders gedraagt ​​dan een normale rotor vanwege dit onderscheid - gemiddeld zal een kwantumdraaimolen ook meer energie hebben na meer trappen te hebben ervaren. Maar als er eenmaal genoeg tegen een kwantumrotor is geschopt, zijn snelheid neigt naar een plateau. Na een bepaald punt, de aanhoudende inspanning van onze kwantum Hercules slaagt er niet in om de energie van de kwantumdraaimolen (gemiddeld) te verhogen.

Dit gedrag is conceptueel vergelijkbaar met een ander thermodynamica-tartend kwantumfenomeen genaamd Anderson-lokalisatie. Philip Anderson, een van de grondleggers van de fysica van de gecondenseerde materie, verdiende een Nobelprijs voor de ontdekking van het fenomeen. Hij en zijn collega's legden uit hoe een kwantumdeeltje, als een elektron, vast kunnen komen te zitten ondanks vele schijnbare mogelijkheden om te bewegen. Ze legden uit dat onvolkomenheden in de rangschikking van atomen in een vaste stof kunnen leiden tot kwantuminterferentie tussen de paden die beschikbaar zijn voor een kwantumdeeltje, het veranderen van de waarschijnlijkheid dat het elk pad neemt. In Anderson-lokalisatie, de kans om op een pad te komen wordt bijna nul, waardoor het deeltje op zijn plaats blijft zitten.

Dynamische lokalisatie lijkt veel op Anderson-lokalisatie, maar in plaats van vast te zitten op een bepaalde positie, de energie van een deeltje blijft steken. Als een kwantumobject, de energie van een rotor en dus de snelheid zijn beperkt tot een reeks gekwantiseerde waarden. Deze waarden vormen een abstract raster of rooster vergelijkbaar met de locaties van atomen in een vaste stof en kunnen een interferentie tussen energietoestanden veroorzaken die vergelijkbaar is met de interferentie tussen paden in de fysieke ruimte. De waarschijnlijkheden van de verschillende mogelijke energieën, in plaats van de mogelijke paden van een deeltje, onderbreken, en de energie en snelheid komen vast te zitten in de buurt van een enkele waarde, ondanks aanhoudende schoppen.

Een nieuwe Quantum-speeltuin verkennen

Terwijl Anderson-lokalisatie onderzoekers een perspectief bood om een ​​enkele getrapte kwantumrotor te begrijpen, het liet enige onduidelijkheid achter over wat er gebeurt met veel op elkaar inwerkende rotors die energie heen en weer kunnen gooien. Een algemene verwachting was dat de extra interacties normale verwarming mogelijk zouden maken door de kwantumbalans te verstoren die de toename van energie beperkt.

Galitski en collega's identificeerden een eendimensionaal systeem waarvan ze dachten dat de verwachting misschien niet waar zou zijn. Ze kozen een interactief eendimensionaal Bose-gas als hun speeltuin. In een Bose-gas, deeltjes die heen en weer langs een lijn ritselen, spelen de rol van de rotors die op hun plaats draaien. De gasatomen volgen dezelfde basisprincipes als geschopte rotoren, maar zijn praktischer om mee te werken in een laboratorium. In laboratoria, lasers kunnen worden gebruikt om het gas vast te houden en ook om de atomen in het gas af te koelen tot een lage temperatuur, wat essentieel is voor een sterk kwantumgedrag.

Nadat het team deze speeltuin had uitgekozen, ze verkenden wiskundige modellen van de vele interagerende gasatomen. Het gas verkennen bij verschillende temperaturen, Door de sterke interactie en het aantal trappen moest het team schakelen tussen verschillende wiskundige technieken om een ​​volledig beeld te krijgen. Uiteindelijk suggereerden hun resultaten dat wanneer een gas met sterke interacties begint in de buurt van nultemperatuur, het dynamische lokalisatie kan ervaren. Het team noemde dit fenomeen 'dynamische lokalisatie van vele lichamen'.

"Deze resultaten hebben belangrijke implicaties en demonstreren fundamenteel ons onvolledige begrip van deze systemen, " zegt Robert Konik, een co-auteur van het papier en natuurkundige bij Brookhaven National Lab. "Ze bevatten ook het zaad van mogelijke toepassingen omdat systemen die geen energie accepteren, minder gevoelig zouden moeten zijn voor kwantumdecoherentie-effecten en dus nuttig kunnen zijn voor het maken van kwantumcomputers."

Experimentele ondersteuning

Natuurlijk, een theoretische verklaring is slechts de helft van de puzzel; experimentele bevestiging is essentieel om te weten of een theorie op vaste grond staat. Gelukkig, een experiment aan de andere kust van de VS heeft hetzelfde onderwerp nagestreefd. Gesprekken met Galitski inspireerden David Weld, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Sinterklaas, om de experimentele expertise van zijn team te gebruiken om de dynamische lokalisatie van veel lichamen te onderzoeken.

"Meestal is het niet gemakkelijk om een ​​experimentator te overtuigen om een ​​experiment te doen op basis van theorie, ", zegt Galitski. "Deze zaak was nogal toevallig, dat David bijna alles al klaar had om te gaan."

Het team van Weld gebruikt een kwantumgas van lithiumatomen dat wordt opgesloten door lasers om een ​​experiment te creëren dat lijkt op het theoretische model dat Galitski's team ontwikkelde. (Het belangrijkste verschil is dat in het experiment de atomen in drie dimensies bewegen in plaats van slechts één.)

In het experiment, Weld en zijn team schoppen de atomen honderden keren met laserpulsen en observeren herhaaldelijk hun lot. Voor verschillende uitvoeringen van het experiment stemden ze de interactiesterkte van de atomen af ​​op verschillende waarden.

"Het is leuk omdat we heel perfect naar een niet-interactief regime kunnen gaan, en dat is iets waarvan het gedrag vrij eenvoudig te berekenen is, "zegt Weld. "En dan kunnen we de interactie voortdurend opdrijven en een regime binnengaan dat meer lijkt op waar Victor en zijn collega's het over hebben in dit laatste artikel. En we observeren lokalisatie, zelfs in de aanwezigheid van de sterkste interacties die we aan het systeem kunnen toevoegen. Dat was een verrassing voor mij."

Hun voorlopige resultaten bevestigen de voorspelling dat dynamische lokalisatie van veel lichamen kan optreden, zelfs wanneer sterke interacties deel uitmaken van de afbeelding. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor onderzoekers om te proberen de grens tussen de kwantum- en klassieke wereld te bepalen.

"Het is leuk om iets te kunnen laten zien dat mensen niet hadden verwacht en ook om experimenteel relevant te zijn, ' zegt Rylands.