(Phys.org) - Ända sedan kvantmekanikens tidiga dagar, sönderfallsdynamiken hos instabila kvantsystem har antagits följa en exponentiell sönderfallslag, precis som den som används för att beskriva radioaktivt sönderfall och många andra naturliga processer. Den exponentiella lagen inom kvantdomänen föreslogs ursprungligen av George Gamow och utvecklades senare av Eugene Wigner och Victor Weisskopf. Enligt denna lag, när man får ett prov av instabila atomer, antalet som sannolikt kommer att förfalla under en kort tidsperiod är proportionellt mot antalet närvarande atomer.

Under åren sedan dess, dock, fysiker har funnit att avvikelser från den exponentiella lagen kan förekomma i instabila kvantsystem, men bara i de som är isolerade från den yttre miljön. Detta beror på att isolerade system är fria från miljödekoherens, vilket gör det möjligt för kvantförfallsprodukterna att rekonstruera sig tillbaka till sin initial, förfallen stater. Följaktligen, förfallet är initialt långsammare än det som förutspås av exponentiell lag, och i senare skeden, förfallet uppvisar ofta ett maktlagsbeteende. Forskare har tidigare visat att detta icke -exponentiella förfall kan utnyttjas för kvantkontroll.

Nu i en ny studie, fysiker har teoretiskt visat att kvantförfallsprocesser kan avvika från den exponentiella sönderfallslagen inte bara när systemet är isolerat, men även när den är i kontakt med den yttre miljön. Resultaten tyder på att ett instabilt kvantsystem kan förfalla och därefter återgå till sitt ursprungliga tillstånd, även i närvaro av miljödekoherens.

Fysikerna, ledd av Adolfo del Campo vid University of Massachusetts, och inklusive kollegor vid University of Basque Country och Aberystwyth University, har publicerat ett papper om förekomsten av icke -exponentiellt kvantförfall i öppna system i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Tidigare studier har hävdat att avvikelser från den exponentiella lagen saknades i realistiska" öppna "kvantsystem, på grund av deras kontakt med miljön (allt i omgivningen), "berättade del Campo Phys.org . "Vårt arbete fastställer förekomsten av icke -exponentiellt förfall i öppna kvantsystem, och vi har visat det i en paradigmatisk miljö, den för kvantbruniansk rörelse. "

Som forskarna visade, kvantförfallet i ett system som kännetecknas av kvantbruniansk rörelse beror på systemets kontakt med termiska bad. De fann att detta förfall styrs helt av avvikelser från den exponentiella lagen, och att det kan vara möjligt att observera detta förfall i laboratoriet.

De nya resultaten överensstämmer också med experimentella resultat från 2006, där fysiker observerade att sönderfallande luminescens i ett öppet system bryter mot den exponentiella sönderfallslagen. I allmänhet, den nya studien visar att avvikelser från exponentiellt förfall i öppna kvantsystem finns i många vanliga fall av kvantförfall.

Övergripande, resultaten har potentiella konsekvenser för ett brett spektrum av områden. Till exempel, de förväntas leda till en bättre förståelse av kvantdekoherens och för att testa teorier som åberopar kollapsen av kvantvågfunktionen. De har också applikationer för "kryptering" av kvantinformation, såväl som för kvantkosmologi.

"Dynamiken i öppna kvantsystem - vilket är vilket kvantsystem som är inbäddat i en miljö - är av intresse för en mängd olika områden, allt från kvantkemisk dynamik till termodynamik, "sade del Campo." Våra resultat gäller i stort sett alla områden som har att göra med öppen systemdynamik. I fysikens grunder, de styr det dynamiska uppkomsten av det klassiska beteendet, den som vi uppfattar, från den underliggande mikroskopiska kvantvärlden. "

Resultaten föreslår också ytterligare forskningsinriktningar.

"I lika mycket som vi tar kvantteori som den grundläggande beskrivningen av naturen, förekomsten av återkomsthändelser för att återskapa ett systemets ursprungliga tillstånd är faktiskt ganska underhållande och chockerande, "sa del Campo." Och det är så mycket mer när sådana händelser händer med glömska miljöer, utan minne. Det betyder att det är möjligt för ett system att återgå till sitt tillstånd under det förflutna under dess utveckling.

"I sci-fi-andan, om samma antaganden och matematiska beskrivning skulle gälla i den makroskopiska världen, det systemet kan vara lika komplext som du och jag. Än, Jag tycker inte att vi ska lita på den. Den exponentiella lagen ger redan en underbar approximation för att beskriva sönderfall av system så små som en radioaktiv atom. Det är rättvist att säga att rollen för systemets komplexitet återstår att klargöra, vilket gör studiet av kvantförfall i många partikelsystem till ett spännande område för vidare forskning. "

© 2017 Phys.org