Med sina upphängda metalliska sfärer som klackar fram och tillbaka, Newtons vagga är mer än en populär skrivbordsleksak. Det har lärt en generation studenter om bevarande av fart och energi. Det är också inspirationen till ett experiment Benjamin Lev, docent i fysik och tillämpad fysik vid Stanford University, har skapat för att studera kvantsystem.

Lev och hans grupp byggde sin egen kvantversion av Newtons vagga för att svara på frågor om hur den kaotiska rörelsen för kvantpartiklar så småningom leder till termisk jämvikt i en process som kallas termalisering. Att svara på hur detta sker i kvantsystem kan hjälpa till att utveckla kvantdatorer, sensorer och enheter, som Lev karakteriserar som en "kvantteknisk revolution".

"Om vi ​​vill kunna skapa enheter som är robusta och användbara, vi måste förstå hur kvantsystem beter sig ur jämvikt - när de sparkas, som Newtons vagga - på en så grundläggande nivå som vi förstår att för klassiska system, " sa Lev.

Med vaggan, forskarna observerade för första gången hur, efter att ha inducerat små mängder kaotisk rörelse, ett kvantsystem når termisk jämvikt. De publicerade sina fynd 2 maj i Fysisk granskning X .

Resultaten av dessa experiment, som inte passade tidigare förutsägelser, har lett till en teori om hur denna process fungerar i kvantsystem.

Extremt kallt, starkt magnetisk

Den turbulenta mjölkvirvlingen som den tillsätts i kaffe är ett välbekant exempel på kaos i den icke-kvantliga världen. Över tid, kaffeblandningen blir homogen och därför, når jämvikt. Vad Lev -labbet ville veta är hur denna utveckling sker i kvantsystem efter att de har framkallat bara en touch av kaos. Genom experiment med sin vagga, forskarna var de första att observera denna process när den hände.

Levlabbets kvant Newtons vagga skiljer sig från allt du har sett i din medarbetares skåp. Forskarna lyser laserstrålar genom en lufttät kammare för att kyla en gas av atomer ner till nästan absolut noll - en av de kallaste kända gaserna i universum - och sedan laddar de dessa atomer i en rad laserrör som fungerar som strukturen för Newtons vagga. Var och en av de 700 parallella vaggorna innehåller cirka 50 atomer i rad. Sedan, en annan laser sparkar atomerna, starta vaggans rörelse.

Till skillnad från en tidigare kvant Newtons vagga utvecklad av David Weiss i Penn State, där svagt magnetiska atomer tog platsen för vaggans metallsfärer, Lev-labbets vagga innehåller starkt magnetiska atomer.

Detta arbete bygger på laboratoriets tidigare prestation att göra den första kvantgasen av det högmagnetiska elementet dysprosium - bundet med terbium som det mest magnetiska av alla element. President Obama gav Lev ett Presidential Early Career Award för forskare och ingenjörer för denna milstolpe 2011. Det var atomer av dysprosium som forskarna laddade in i den lufttäta kammaren.

Forskarna kan ställa in hur dessa atomer påverkar sina grannar. De kan få vaggan att agera som om atomerna inte är magnetiska så att den kommer att producera den periodiska rörelsen som är typisk för Newtons vagga. Eller så kan de producera kaotisk rörelse genom att skruva upp magnetismen - som en Newtons vagga med magneter fastspända på sfärerna.

Tills nu, fysiker har inte haft en teori om hur termalisering uppstår i subtilt kaotiska kvantsystem. Tidigare forskning med beräkningssimuleringar har resulterat i varierande slutsatser. Nu, genom sina experiment, forskarna visade direkt att vaggans oscillation nådde jämvikt i en sekvens av två exponentiella steg, vilket var ett oväntat resultat.

De bekräftade också sina experimentella resultat i en omfattande datasimulering. Baserat på dessa experiment och simuleringar, gruppen utvecklade en teori som förklarar deras resultat.

"Det betyder att vi kan ha en mycket allmän, enkel teori för hur komplicerade kvantsystem som detta termaliserar, "Lev sa." Det är vackert eftersom det låter dig översätta det till andra system. "

Atom för atom

Redan, forskarna har flera experiment planerade för den magnetiska kvanten Newtons vagga och de räknar med många fler möjligheter att bygga vidare på detta arbete när kvantrevolutionen utvecklas.

"Mycket sofistikerad laserteknik kan manipulera system atom för atom, "sa Yijun Tang, en nyutexaminerad doktorand i Lev -labbet och huvudförfattare till uppsatsen. "Så, kanske vad vi kan göra kommer att gå utöver grundläggande vetenskapliga frågor. Kanske, vid något tillfälle, vi kan också förvandla dessa teknologier till något mer praktiskt."

I kommande experiment, forskarna kan lägga till störningar i vaggans rör, i form av fläckigt laserljus, för att se om de kan skapa ett slags kvantglas som undviker termalisering. Experimenten som bidrog till detta dokument gjordes alla med en version av dysprosiumisotoper, kallas bosoner, så gruppen planerar också att upprepa sitt arbete med den alternativa versionen, fermioner. De är inte säkra på om förändringen till fermioner kommer att göra skillnad för termisering, Lev sa:och de skulle välkomna ytterligare en överraskning.