Natuurkundigen van UC Santa Barbara, de Universiteit van Maryland en de Universiteit van Washington hebben een antwoord gevonden op de al lang bestaande natuurkundige vraag:hoe beïnvloeden interacties tussen deeltjes dynamische lokalisatie?

"Het is een heel oude vraag die is geërfd van de fysica van de gecondenseerde materie", zegt David Weld, een experimenteel fysicus bij UCSB met specialiteiten in ultrakoude atoomfysica en kwantumsimulatie. De vraag valt in de categorie van "veel-lichamen"-fysica, die de fysieke eigenschappen van een kwantumsysteem met meerdere op elkaar inwerkende delen ondervraagt. Hoewel veeldeeltjesproblemen al tientallen jaren een kwestie van onderzoek en debat zijn, leidt de complexiteit van deze systemen, met kwantumgedrag zoals superpositie en verstrengeling, tot massa's mogelijkheden, waardoor het onmogelijk is om ze alleen met berekeningen op te lossen. "Veel aspecten van het probleem liggen buiten het bereik van moderne computers", voegde Weld eraan toe.

Gelukkig lag dit probleem niet buiten het bereik van een experiment met ultrakoude lithiumatomen en lasers. Dus, wat komt er naar voren als je interactie introduceert in een ongeordend, chaotisch kwantumsysteem? Een "rare kwantumtoestand", aldus Weld. "Het is een toestand die abnormaal is, met eigenschappen die in zekere zin tussen de klassieke voorspelling en de niet-interagerende kwantumvoorspelling liggen."

De resultaten van de fysici zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

'Er is iets vreemds aan de hand'

Als het gaat om vreemd, contra-intuïtief gedrag, stelt de kwantumwereld niet teleur. Neem bijvoorbeeld een gewone slinger, die zich precies zou gedragen zoals we zouden verwachten wanneer hij wordt blootgesteld aan energiepulsen.

"Als je er tegenaan trapt en af ​​en toe op en neer schudt, zal een klassieke slinger continu energie absorberen, overal heen en weer gaan wiebelen en de hele parameterruimte chaotisch verkennen," zei Weld.

In kwantumsystemen ziet chaos er anders uit. In plaats van beweging kan wanorde deeltjes tot stilstand brengen. En terwijl een getrapte kwantumslinger of "rotor" eerst energie van de trappen absorbeert - vergelijkbaar met een klassieke slinger - met herhaalde trappen, stopt het systeem met het absorberen van energie en bevriest de momentumverdeling, in wat bekend staat als een dynamisch gelokaliseerde toestand. Deze lokalisatie is nauw analoog aan het gedrag van een "vuile" elektronische vaste stof, waarbij wanorde resulteert in immobiele, gelokaliseerde elektronen, waardoor de vaste stof overgaat van een metaal of een geleider (bewegende elektronen) naar een isolator.

Hoewel deze staat van lokalisatie al tientallen jaren wordt onderzocht in de context van enkele, niet-interagerende deeltjes, wat gebeurt er dan in een ongeordend systeem met meerdere, op elkaar inwerkende elektronen? Dit soort vragen en aanverwante aspecten van kwantumchaos hielden Weld en zijn co-auteur, de theoreticus van de Universiteit van Maryland, Victor Galitski, bezig tijdens een discussie enkele jaren geleden toen Galitski Santa Barbara bezocht.

"Wat Victor opriep, was de vraag wat er gebeurt als je in plaats van dit pure niet-interagerende kwantumsysteem dat wordt gestabiliseerd door interferentie, een aantal van deze rotors hebt en ze allemaal tegen elkaar kunnen botsen en met elkaar kunnen communiceren", herinnert Weld zich. "Blijft de lokalisatie bestaan ​​of wordt deze vernietigd door de interacties?"

"Inderdaad, het is een zeer moeilijke vraag die betrekking heeft op de fundamenten van statistische mechanica en het basisbegrip van ergodiciteit, waarbij de meeste op elkaar inwerkende systemen uiteindelijk thermaliseren tot een universele staat," zei Galitski.

Stel je eens voor dat je koude melk in warme koffie giet. De deeltjes in je kopje zullen zich na verloop van tijd en door hun interacties in een uniforme evenwichtstoestand schikken die niet puur hete koffie of koude melk is. Dit soort gedrag - thermalisatie - werd verwacht van alle op elkaar inwerkende systemen. Dat wil zeggen, tot ongeveer 16 jaar geleden, toen werd beweerd dat wanorde in een kwantumsysteem zou leiden tot lokalisatie van vele lichamen (MBL).

"Dit fenomeen, dat eerder dit jaar werd erkend door de Lars Onsager-prijs, is moeilijk theoretisch rigoureus te bewijzen of experimenteel vast te stellen", zei Galitski.

De groep van Weld beschikte over de technologie en expertise om letterlijk licht op de situatie te werpen. In hun lab is een gas van 100.000 ultrakoude lithiumatomen gesuspendeerd in een staande lichtgolf. Elk atoom vertegenwoordigt een kwantumrotor die kan worden geschopt door laserpulsen.

"We kunnen een hulpmiddel gebruiken dat een Feshbach-resonantie wordt genoemd om de atomen van elkaar te verhullen, of we kunnen ze tegen elkaar laten stuiteren met willekeurig sterke interacties," zei Weld. Met een draai aan de knop konden de onderzoekers de lithiumatomen van line dance naar mosh pit laten gaan en hun gedrag vastleggen.

Zoals verwacht, toen de atomen onzichtbaar voor elkaar waren, lieten ze de laser schoppen tot een bepaald punt, waarna ze stopten met bewegen in hun dynamisch gelokaliseerde staat, ondanks herhaalde schoppen. Maar toen de onderzoekers de interactie opvoerden, nam niet alleen de gelokaliseerde toestand af, maar leek het systeem ook energie te absorberen van de herhaalde trappen, waardoor klassiek chaotisch gedrag werd nagebootst.

Weld wees er echter op dat het op elkaar inwerkende, ongeordende kwantumsysteem energie absorbeerde, maar dit veel langzamer deed dan een klassiek systeem.

"Wat we zien is iets dat energie absorbeert, maar niet zo goed als een klassiek systeem kan," zei hij. "En het lijkt alsof de energie ruwweg groeit met de vierkantswortel van tijd in plaats van lineair met de tijd. Dus de interacties maken het niet klassiek, het is nog steeds een rare kwantumtoestand die abnormale niet-lokalisatie vertoont."

Testen op chaos

Het team van Weld gebruikte een techniek die een "echo" wordt genoemd, waarbij de kinetische evolutie vooruit en vervolgens achteruit wordt uitgevoerd om direct te meten hoe interacties de omkeerbaarheid van de tijd vernietigen. Deze vernietiging van tijdomkeerbaarheid is een belangrijke signatuur van kwantumchaos.

"Een andere manier om hierover na te denken, is door te vragen:hoeveel geheugen van de beginstatus heeft het systeem na enige tijd?" zei co-auteur Roshan Sajjad, een afgestudeerde student-onderzoeker in het lithiumteam. Bij afwezigheid van verstoringen zoals strooilicht of gasbotsingen, legde hij uit, zou het systeem in staat moeten zijn om terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat als de fysica achteruit wordt uitgevoerd. "In ons experiment draaien we de tijd om door de fase van de trappen om te draaien, waardoor de effecten van de eerste normale reeks trappen ongedaan worden gemaakt", zei hij. "Een deel van onze fascinatie was dat verschillende theorieën verschillende gedragingen hadden voorspeld over de uitkomst van dit soort op elkaar inwerkende opstelling, maar dat niemand het experiment ooit had gedaan."

"Het ruwe idee van chaos is dat hoewel de bewegingswetten in de tijd omkeerbaar zijn, een systeem met veel deeltjes zo gecompliceerd en gevoelig voor verstoringen kan zijn dat het praktisch onmogelijk is om terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat", zegt hoofdauteur Alec Cao. De wending was dat in een effectief ongeordende (gelokaliseerde) toestand de interacties de lokalisatie enigszins verbraken, zelfs toen het systeem zijn capaciteit verloor om in de tijd te worden omgekeerd, legde hij uit

"Natuurlijk zou je verwachten dat interacties de tijdomkering verpesten, maar we zagen iets interessanters:een beetje interactie helpt echt," voegde Sajjad eraan toe. "Dit was een van de meest verrassende resultaten van dit werk."

Weld en Galitski waren niet de enigen die getuige waren van deze vage kwantumtoestand. Natuurkundige Subhadeep Gupta van de Universiteit van Washington en zijn team voerden tegelijkertijd een aanvullend experiment uit en produceerden vergelijkbare resultaten met zwaardere atomen in een eendimensionale context. Dat resultaat is gepubliceerd naast die van UC Santa Barbara en University of Maryland in Nature Physics .

"De experimenten bij UW werkten in een zeer moeilijk fysiek regime met 25 keer zwaardere atomen die beperkt waren om in slechts één dimensie te bewegen, maar ook een zwakker-dan-lineaire energiegroei gemeten door periodiek schoppen, licht werpend op een gebied waar theoretische resultaten hebben in conflict geweest", zegt Gupta, wiens groep samenwerkte met theoreticus Chuanwei Zhang en zijn team aan de Universiteit van Texas in Dallas.

Deze bevindingen, zoals veel belangrijke natuurkundige resultaten, openen meer vragen en maken de weg vrij voor meer kwantumchaos-experimenten, waar de felbegeerde link tussen klassieke en kwantumfysica kan worden ontdekt.

"Davids experiment is de eerste poging om een ​​dynamische versie van MBL te onderzoeken in een meer gecontroleerde laboratoriumomgeving," merkte Galitski op. "Hoewel het de fundamentele vraag op de een of andere manier niet ondubbelzinnig heeft opgelost, laten de gegevens zien dat er iets vreemds aan de hand is."

"Hoe kunnen we deze resultaten begrijpen in de context van het zeer grote oeuvre over de lokalisatie van veel lichamen in systemen van gecondenseerde materie?" vroeg Weld. "Hoe kunnen we deze toestand van materie karakteriseren? We zien dat het systeem delokaliseert, maar niet met de verwachte lineaire tijdsafhankelijkheid; wat is daar aan de hand? We kijken uit naar toekomstige experimenten die deze en andere vragen onderzoeken." + Verder verkennen

Natuurkundigen rapporteren over 'quantum boemerang'-effect in verstoorde systemen