物理学家已经回答了一个关于无序系统中量子粒子相互作用的长期问题。
一种不同类型的混乱
来自加州大学圣巴巴拉分校、马里兰大学和华盛顿大学的物理学家们解决了一个长期存在的物理学难题:粒子间相互作用如何影响动力学局域化?
“这是一个从凝聚态物理学继承而来的老问题，”UCSB的实验物理学家David Weld说，他的专长是超冷原子物理学和量子模拟。这个问题属于“多体”物理学的范畴，它探究具有多个相互作用部分的量子系统的物理特性。虽然几十年来，多体问题一直是一个研究和争论的问题，但这些系统的复杂性，以及叠加和纠缠等量子行为，导致了大量的可能性，使其不可能仅通过计算解决。“这个问题的许多方面是现代计算机无法解决的，”Weld补充道。
焊接实验室使用的实验装置。信贷:托尼Mastres
幸运的是，这个问题并没有超出使用超冷锂原子和激光的实验的范围。那么，当相互作用被引入一个无序的、混沌的量子系统时会发生什么呢?
根据Weld的说法，这是一种“奇怪的量子态”。“这是一种反常的状态，其性质在某种意义上介于经典预测和非相互作用的量子预测之间。”
这些物理学家的发现最近发表在《自然物理》杂志上。
“怪事发生了”
当涉及到奇怪的、反直觉的行为时，量子领域不会让人失望。考虑一个正常的钟摆，它在受到能量脉冲的作用下会像我们预期的那样运动。
“如果你每隔一段时间踢它，上下摇晃它，一个经典钟摆就会不断吸收能量，开始到处摆动，并在整个参数空间中进行混沌探索，”Weld说。
混沌在量子系统中的表现不同。无序可能使粒子达到某种静止状态，而不是运动。而且，与经典的摆不同，被踢的量子摆或“转子”最初可能会从踢中吸收能量，但在多次踢后，系统停止吸收能量，动量分布冻结，这就是所谓的动态局域状态。这种局域化类似于“脏”电子固体的行为，其中无序导致不移动的局域电子，导致固体从金属或导体(移动的电子)转变为绝缘体。
虽然这种局部化状态已经在单个无相互作用粒子的环境下研究了几十年，但当一个无序系统包含多个相互作用电子时会发生什么呢?在几年前的一次讨论中，威尔德和他的合著者马里兰大学的理论家维克多·加利茨基(Victor Galitski)在圣巴巴拉访问时，一直在思考这样的问题和量子混沌的相关方面。
“维克托提出的问题是，如果有一堆这样的转子，而不是这种由干扰稳定的纯无相互作用的量子系统，会发生什么，”威尔德回忆道。“本地化是否会持续，还是会被交互破坏?”
Galitski说:“事实上，这是一个非常困难的问题，它涉及到统计力学的基础和遍历性的基本概念，因此大多数相互作用的系统最终会热化到一个普遍状态。”
想象一下，把冷牛奶倒进热咖啡里。随着时间的推移，通过相互作用，杯子里的粒子会自行排列成一种均匀的平衡状态，既不是纯热咖啡，也不是冷牛奶。这种类型的行为——热化——在所有相互作用的系统中都是预期的。也就是说，直到大约16年前，人们认为量子系统的无序会导致多体定位(MBL)。
Galitski说:“这个现象在今年早些时候被Lars onsager奖认可，但很难从理论上或实验上严格证明。”
威尔德的团队有技术和专业知识来阐明这种情况。在他们的实验室里，有一种由10万个超冷锂原子组成的气体，悬浮在驻波光中。每个原子代表一个可以被激光脉冲踢动的量子转子。
“我们可以使用一种叫做费什巴赫共振的工具来保持原子之间的隐形，或者我们可以用任意强的相互作用使它们相互反弹，”Weld说。只要转动一个旋钮，研究人员就可以让锂原子从排舞变成舞坑，并捕捉它们的行为。
正如预期的那样，当原子彼此不可见时，它们将激光踢到某个点，之后它们停止在动态局部状态下运动，尽管不断地踢。但当研究人员启动相互作用时，不仅局域状态减弱，而且系统似乎从重复踢中吸收了能量，模仿了经典的混沌行为。
然而，Weld指出，虽然相互作用的无序量子系统在吸收能量，但它吸收能量的速度比经典系统要慢得多。
他说:“我们看到的是一种能吸收能量的物质，但吸收能量的能力不如经典系统。”“能量似乎是大致随着时间的平方根增长，而不是线性增长。所以相互作用并没有使它成为经典;它仍然是一个奇怪的量子态，表现出反常的非定域性。”
测试混乱
Weld的团队使用了一种叫做“回声”的技术，在这种技术中，动能的演化是向前然后向后运行的，以直接测量相互作用破坏时间可逆性的方式。这种时间可逆性的破坏是量子混沌的一个关键特征。
另一种思考方法是问:一段时间后，系统对初始状态有多少内存?锂研究团队的研究生研究员、合著者Roshan Sajjad说。他解释说，在没有杂散光或气体碰撞等任何扰动的情况下，如果物理运行反向，系统应该能够回到初始状态。他说:“在我们的实验中，我们通过逆转踢腿的阶段来逆转时间，‘消除’第一组正常踢腿的影响。”“我们着迷的部分原因是，不同的理论预测了这种类型的互动设置的结果的不同行为，但从来没有人做过这个实验。”
“混沌的大致概念是，即使运动规律是时间可逆的，一个多粒子系统可能是如此复杂和敏感的扰动，几乎不可能回到它的初始状态，”主要作者Alec Cao说。他解释说，问题在于，在有效无序(局部化)状态下，交互作用在一定程度上破坏了局部化，即使系统失去了时间逆转的能力
“你可能会天真地认为互动会破坏时间逆转，但我们发现了更有趣的事情:一点点互动实际上是有帮助的!”萨贾德补充道。“这是这项研究的更令人惊讶的结果之一。”
威尔德和加利茨基并不是唯一见证这种模糊量子态的人。华盛顿大学的物理学家Subhadeep Gupta和他的团队同时进行了一项补充实验，在一维环境中使用更重的原子得到了类似的结果。该研究结果与加州大学圣巴巴拉分校和马里兰大学的研究结果一起发表在《自然物理》杂志上。
古普塔说:“华盛顿大学的实验是在一个非常困难的物理环境下进行的，重25倍的原子只能在一维空间内运动，但也测量了周期性撞击产生的弱于线性的能量增长，这揭示了一个理论结果存在冲突的领域。”古普塔的团队与德克萨斯大学达拉斯分校的理论家张传伟及其团队合作。
这些发现，就像许多重要的物理学结果一样，打开了更多的问题，并为更多的量子混沌实验铺平了道路，在这些实验中，经典物理学和量子物理学之间令人垂涎的联系可能会被发现。
“David的实验是第一次尝试在更可控的实验室环境中探测MBL的动态版本，”Galitski评论道。“尽管它没有以某种方式明确地解决基本问题，但数据显示出一些奇怪的事情正在发生。”
“在凝聚态系统中多体定位的大量工作背景下，我们如何理解这些结果?”焊接要求。"我们如何描述物质的这种状态?我们观察到系统是离域的，但不具有预期的线性时间依赖性;这是怎么回事?我们期待着未来探索这些和其他问题的实验。”
引用:
alex Cao、Roshan Sajjad、Hector Mas、Ethan Q. Simmons、Jeremy L. Tanlimco、Eber Nolasco-Martinez、Toshihiko Shimasaki、H. Esat Kondakci、Victor Galitski和David M. Weld“一个被撞击的量子气体中动力局域化的交互驱动分解”，Nature Physics 2022年9月26日。DOI: 10.1038 / s41567 - 022 - 01724 - 7
“一维超冷气体的多体动力学离域化”，作者:许军，catherine C. McCormick，唐欣欣，苏颖，罗希旺，张传伟和Subhadeep Gupta, 2022年9月26日，自然物理。DOI: 10.1038 / s41567 - 022 - 01721 - w
