Fysikere kaster lys over en annen type kaos

Fysikere ved UC Santa Barbara, University of Maryland og University of Washington har funnet et svar på det mangeårige fysikkspørsmålet: Hvordan påvirker interpartikkelinteraksjoner dynamisk lokalisering?

“Det er et veldig gammelt spørsmål som er arvet fra fysikk av kondensert materie,” sa David Weld, en eksperimentell fysiker ved UCSB med spesialiteter i ultrakald atomfysikk og kvantesimulering. Spørsmålet faller inn i kategorien “mangekropps”-fysikk, som avhører de fysiske egenskapene til et kvantesystem med flere samvirkende deler. Mens mange-kroppsproblemer har vært et spørsmål om forskning og debatt i flere tiår, fører kompleksiteten til disse systemene, med kvanteatferd som superposisjon og sammenfiltring, til mange muligheter, noe som gjør det umulig å løse gjennom beregning alene. “Mange aspekter av problemet er utenfor rekkevidden til moderne datamaskiner,” la Weld til.

Heldigvis var dette problemet ikke utenfor rekkevidden til et eksperiment som involverer ultrakalde litiumatomer og lasere. Så, hva dukker opp når du introduserer interaksjon i et uordnet, kaotisk kvantesystem? En “rar kvantetilstand”, ifølge Weld. “Det er en tilstand som er anomal, med egenskaper som på en eller annen måte ligger mellom den klassiske prediksjonen og den ikke-interagerende kvanteprediksjonen.”

Fysikernes resultater er publisert i tidsskriftet Naturfysikk.

“Noe merkelig er på gang”

Når det kommer til merkelig, kontraintuitiv oppførsel, skuffer ikke kvanteverdenen. Ta for eksempel en vanlig pendel, som ville oppføre seg nøyaktig slik vi ville forvente den når den ble utsatt for energipulser.

“Hvis du sparker den og rister den opp og ned av og til, vil en klassisk pendel kontinuerlig absorbere energi, begynne å vrikke over alt og utforske hele parameterrommet kaotisk,” sa Weld.

I kvantesystemer ser kaos annerledes ut. I stedet for bevegelse kan uorden bringe partikler til en slags stillstand. Og mens en sparket kvantependel eller “rotor” først kan absorbere energi fra sparkene – i likhet med en klassisk pendel – med gjentatte spark, slutter systemet å absorbere energi og momentumfordelingen fryser, i det som er kjent som en dynamisk lokalisert tilstand. Denne lokaliseringen er nær analog med oppførselen til et “skittent” elektronisk fast stoff, der forstyrrelse resulterer i immobile, lokaliserte elektroner, som får faststoffet til å gå over fra å være et metall, eller en leder (bevegende elektroner), til å være en isolator.

Mens denne lokaliseringstilstanden har blitt utforsket i flere tiår i sammenheng med enkeltstående, ikke-samvirkende partikler, hva skjer i et uordnet system med flere, interagerende elektroner? Spørsmål som dette og relaterte aspekter av kvantekaos var på hodet til Weld og hans medforfatter, University of Maryland-teoretiker Victor Galitski, under en diskusjon for flere år siden da Galitski besøkte Santa Barbara.

“Det Victor reiste var spørsmålet om hva som skjer, hvis du i stedet for dette rene ikke-samvirkende kvantesystemet som er stabilisert av interferens, har en haug med disse rotorene, og de kan alle støte på og samhandle med hverandre,” husket Weld. “Vedvarer lokaliseringen, eller blir den ødelagt av interaksjonene?”

“Det er faktisk et veldig vanskelig spørsmål som er knyttet til grunnlaget for statistisk mekanikk og den grunnleggende forestillingen om ergodisitet, der de fleste samvirkende systemer til slutt termaliseres til en universell tilstand,” sa Galitski.

Tenk deg et øyeblikk å helle kald melk i varm kaffe. Partiklene i koppen din vil, over tid og gjennom deres interaksjoner, ordne seg til en jevn, likevektstilstand som verken er ren varm kaffe eller kald melk. Denne typen oppførsel—termalisering– ble forventet av alle samvirkende systemer. Det vil si inntil for rundt 16 år siden da det ble hevdet at forstyrrelse i et kvantesystem ble antatt å resultere i mangekroppslokalisering (MBL).

“Dette fenomenet, som ble anerkjent av Lars Onsager-prisen tidligere i år, er vanskelig å bevise teoretisk eller etablere eksperimentelt,” sa Galitski.

Welds gruppe hadde teknologien og ekspertisen til å belyse situasjonen, bokstavelig talt. I laboratoriet deres er en gass av 100 000 ultrakalde litiumatomer suspendert i en stående bølge av lys. Hvert atom representerer en kvanterotor som kan bli sparket av laserpulser.

“Vi kan bruke et verktøy kalt en Feshbach-resonans for å holde atomene dekket fra hverandre, eller vi kan få dem til å sprette av hverandre med vilkårlig sterke interaksjoner,” sa Weld. Med en vri på knappen kunne forskerne få litiumatomene til å gå fra linedance til mosh pit og fange oppførselen deres.

Som forventet, når atomene var usynlige for hverandre, tok de laseren opp til et visst punkt, hvoretter de sluttet å bevege seg i deres dynamisk lokaliserte tilstand, til tross for gjentatte spark. Men da forskerne ringte opp interaksjonen, ble ikke bare den lokaliserte tilstanden redusert, men systemet så ut til å absorbere energi fra de gjentatte sparkene, og etterligne klassisk kaotisk oppførsel.

Imidlertid påpekte Weld, mens det interagerende uordnede kvantesystemet absorberte energi, gjorde det det i en mye langsommere hastighet enn et klassisk system.

“Det vi ser er noe som absorberer energi, men ikke så godt som et klassisk system kan,” sa han. “Og det virker som om energien vokser omtrent med kvadratroten av tid i stedet for lineært med tiden. Så interaksjonene gjør det ikke klassisk; det er fortsatt en merkelig kvantetilstand som viser unormal ikke-lokalisering.”

Tester for kaos

Welds team brukte en teknikk kalt et “ekko” der den kinetiske evolusjonen kjøres fremover og deretter bakover for direkte å måle måten interaksjoner ødelegger tidsreversibilitet. Denne ødeleggelsen av tidsreversibilitet er en nøkkelsignatur på kvantekaos.

“En annen måte å tenke på dette er å spørre: Hvor mye minne av den opprinnelige tilstanden har systemet etter en tid?” sa medforfatter Roshan Sajjad, en doktorgradsstudent forsker på litiumteamet. I mangel av noen forstyrrelser for eksempel streiflys eller gasskollisjoner, forklarte han, skal systemet være i stand til å gå tilbake til sin opprinnelige tilstand hvis fysikken kjøres bakover. “I vårt eksperiment reverserer vi tiden ved å reversere fasen av sparkene, og ‘oppheve’ effekten av det første normale settet med spark,” sa han. “En del av fascinasjonen vår var at forskjellige teorier hadde spådd forskjellig atferd på utfallet av denne typen interaksjonsoppsett, men ingen hadde noen gang gjort eksperimentet.”

“Den grove ideen om kaos er at selv om bevegelseslovene er tidsreversible, kan et system med mange partikler være så komplisert og følsomt for forstyrrelser at det er praktisk talt umulig å gå tilbake til sin opprinnelige tilstand,” sa hovedforfatter Alec Cao. Vrien var at i en effektivt uordnet (lokalisert) tilstand, brøt interaksjonene lokaliseringen noe, selv om systemet mistet kapasiteten til å bli tidsreversert, forklarte han

“Naivt nok forventer du at interaksjoner vil ødelegge tidsreversering, men vi så noe mer interessant: Litt interaksjon hjelper faktisk,” la Sajjad til. “Dette var et av de mer overraskende resultatene av dette arbeidet.”

Weld og Galitski var ikke de eneste som var vitne til denne uklare kvantetilstanden. University of Washington fysiker Subhadeep Gupta og teamet hans kjørte et komplementært eksperiment på samme tid, og produserte lignende resultater ved å bruke tyngre atomer i en endimensjonal sammenheng. Dette resultatet er publisert sammen med resultatene fra UC Santa Barbara og University of Maryland i Naturfysikk.

“Eksperimentene ved UW opererte i et veldig vanskelig fysisk regime med 25 ganger tyngre atomer begrenset til å bevege seg i bare én dimensjon, men målte også svakere enn lineær energivekst fra periodisk spark, og kastet lys over et område der teoretiske resultater har vært i konflikt,” sa Gupta, hvis gruppe samarbeidet med teoretikeren Chuanwei Zhang og teamet hans ved University of Texas i Dallas.

Disse funnene, som mange viktige fysikkresultater, åpner for flere spørsmål og baner vei for flere kvantekaos eksperimenter, der den ettertraktede koblingen mellom klassisk og kvantefysikk kan bli avdekket.

“Davids eksperiment er det første forsøket på å undersøke en dynamisk versjon av MBL i en mer kontrollert laboratoriesetting,” kommenterte Galitski. “Selv om det ikke entydig har løst det grunnleggende spørsmålet på en eller annen måte, viser dataene at noe rart er på gang.”

“Hvordan kan vi forstå disse resultatene i sammenheng med det svært store arbeidet med lokalisering av mange kropper i systemer med kondensert materie?” spurte Weld. “Hvordan kan vi karakterisere denne materietilstanden? Vi observerer at systemet delokaliserer, men ikke med den forventede lineære tidsavhengigheten; hva skjer der? Vi ser frem til fremtidige eksperimenter som utforsker disse og andre spørsmål.”

---

---