Nieuwe experimenten met ingesloten eendimensionale gassen - atomen die zijn afgekoeld tot de koudste temperaturen in het universum en opgesloten zodat ze alleen in een lijn kunnen bewegen - passen in de voorspellingen van de recent ontwikkelde theorie van 'gegeneraliseerde hydrodynamica'. Kwantummechanica is nodig om de nieuwe eigenschappen van deze gassen te beschrijven. Het verkrijgen van een beter begrip van hoe dergelijke systemen met veel deeltjes in de tijd evolueren, is een grens van de kwantumfysica. Het resultaat zou de studie van kwantumsystemen die uit evenwicht zijn geëxciteerd aanzienlijk kunnen vereenvoudigen. Naast het fundamentele belang ervan, het zou uiteindelijk de ontwikkeling van op kwantum gebaseerde technologieën kunnen informeren, waaronder kwantumcomputers en simulatoren, kwantumcommunicatie, en kwantumsensoren. Een paper waarin de experimenten worden beschreven door een team onder leiding van natuurkundigen van Penn State, verschijnt op 2 september, 2021 in het journaal Wetenschap .

Zelfs binnen de klassieke natuurkunde waar de extra complexiteit van de kwantummechanica kan worden genegeerd, het is onmogelijk om de beweging van alle atomen in een bewegende vloeistof te simuleren. Om deze systemen van deeltjes te benaderen, natuurkundigen gebruiken hydrodynamische beschrijvingen.

"Het basisidee achter hydrodynamica is om de atomen te vergeten en de vloeistof als een continuüm te beschouwen, " zei Marcos Rigol, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "Om de vloeistof te simuleren, men eindigt met het schrijven van gekoppelde vergelijkingen die het resultaat zijn van het opleggen van een paar beperkingen, zoals het behoud van massa en energie. Dit zijn dezelfde soorten vergelijkingen opgelost, bijvoorbeeld, om te simuleren hoe lucht stroomt wanneer je ramen opent om de ventilatie in een kamer te verbeteren."

Materie wordt ingewikkelder als er kwantummechanica bij betrokken is, zoals het geval is wanneer men kwantum veellichamensystemen wil simuleren die uit evenwicht zijn.

"Quantum veellichamensystemen - die zijn samengesteld uit veel op elkaar inwerkende deeltjes, zoals atomen – vormen de kern van atomaire, nucleair, en deeltjesfysica, " zei David Weiss, Distinguished Professor of Physics aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "Vroeger kon je, behalve in extreme limieten, geen berekening doen om kwantumsystemen met veel lichamen te beschrijven die niet in evenwicht zijn. Dat is onlangs veranderd."

De verandering werd ingegeven door de ontwikkeling van een theoretisch kader dat bekend staat als gegeneraliseerde hydrodynamica.

"Het probleem met die kwantum veeldeeltjessystemen in één dimensie is dat ze zoveel beperkingen hebben op hun beweging dat reguliere hydrodynamische beschrijvingen niet kunnen worden gebruikt, " zei Rigol. "Gegeneraliseerde hydrodynamica is ontwikkeld om al die beperkingen bij te houden."

Tot nu, gegeneraliseerde hydrodynamica was alleen eerder experimenteel getest onder omstandigheden waarin de sterkte van interacties tussen deeltjes zwak was.

"We wilden de theorie verder testen, door te kijken naar de dynamiek van eendimensionale gassen met een breed scala aan interactiesterkten, " zei Weiss. "De experimenten zijn extreem goed gecontroleerd, zodat de resultaten nauwkeurig kunnen worden vergeleken met de voorspellingen van deze theorie.

Het onderzoeksteam gebruikt eendimensionale gassen van op elkaar inwerkende atomen die aanvankelijk in evenwicht zijn opgesloten in een zeer ondiepe val. Ze vergroten dan heel plotseling de diepte van de val met 100 keer, waardoor de deeltjes in het midden van de val vallen, waardoor hun collectieve eigenschappen veranderen. Tijdens de ineenstorting, het team meet nauwkeurig hun eigenschappen, die ze vervolgens kunnen vergelijken met de voorspellingen van gegeneraliseerde hydrodynamica.

"Onze metingen kwamen overeen met de voorspelling van de theorie over tientallen traposcillaties, "zei Weiss. "Er zijn momenteel geen andere manieren om kwantumsystemen die niet in evenwicht zijn gedurende lange tijd met redelijke nauwkeurigheid te bestuderen, vooral met veel deeltjes. Gegeneraliseerde hydrodynamica stelt ons in staat om dit te doen voor sommige systemen, zoals het systeem dat we hebben getest, maar hoe algemeen toepasbaar het is, moet nog worden bepaald."