Fysiker vid ETH Zürich har observerat en överraskande vridning i ett kvantsystem som orsakas av samspelet mellan energispridning och sammanhängande kvantdynamik. För att förklara det, de hittade en konkret analogi till mekanik.

"Ingen forskare tänker i formler, "Albert Einstein ska ha sagt en gång till sin kollega Leopold Infeld. Faktum är att speciellt för fysiker, som hanterar sådana abstrakta saker som kvantfysik, Det är ofta oerhört användbart att arbeta med konkreta bilder snarare än matematiska symboler. Ett team av forskare under ledning av Tilman Esslinger, professor vid Institute for Quantum Electronics vid ETH Zürich, upplevde detta när de nyligen upptäckte en ny effekt i sitt kvantmekaniska system. Även om de studerade små atomer och ljuspartiklar i sitt experiment, de kunde förstå sina observationer bättre genom en fängslande bild:en axel som svängde inuti ett lager. Deras resultat har nyligen publicerats i tidskriften Vetenskap .

Ett komplext kvantsystem

"Vi hade inte riktigt letat efter den effekten alls, "säger Esslinger." Först i efterhand förstod vi vad våra data betyder. "Han och hans medarbetare hade tagit sig an ett mycket komplext ämne:ett kvantsystem där de enskilda partiklarna interagerar starkt med varandra och som samtidigt drivs från utanför och även dissipativ. "Dissipativ" betyder att partiklarnas kvanttillstånd inte bara utvecklas sammanhängande i tid - det vill säga så att deras överlagringstillstånd förblir intakta. Snarare, en kontrollerad koppling till omvärlden gör att superpositionsstaterna försvinner så småningom. Om spridningen är mycket stark, de försvinner väldigt snabbt, och som ett resultat beter sig partiklarna nästan som i klassisk fysik, som vi känner till från vardagen. Utan någon förlust, å andra sidan, hur partikelsystemet utvecklas i tid dikteras rent av kvantmekanik - ett idealfall som används av fysiker för att bygga kvantdatorer, till exempel.

Atomiska mönster

"Dessa två ytterligheter kan beräknas och förstås ganska bra, "förklarar Tobias Donner, som arbetar som Senior Scientist i Esslingers lab. "Däremot, det är mycket svårare att hantera system i mitten, där koherent utveckling och spridning är lika viktigt. "För att bygga ett sådant kvantsystem i laboratoriet, fysikerna kylde ner atomer till temperaturer nära den absoluta nollan på cirka -273 grader Celsius och exponerade dem för en fokuserad laserstråle som fångar och driver atomerna inuti ett slags gitter av ljus. Varje atom har också en "snurrning" som kan peka uppåt eller nedåt (ungefär som en kompassnål som pekar åt norr eller söder). Dessutom, de kalla atomerna omges inuti en hålighet av två speglar som reflekterar ljuset som sprids av atomerna fram och tillbaka.

Samspelet mellan atomerna, laserstrålen och ljuset i hålrummet får nu atomerna att ordna sig spontant i ett rutmönster. Detta kan ske på två olika sätt. I en av dem, det finns atomer bara på de "vita" rutorna, som det var, medan de svarta rutorna förblir tomma (se figur). I det andra fallet finns det också två typer av rutor, rött och grönt, men nu är de röda rutorna bara upptagna av atomer vars snurr pekar uppåt, medan det på de gröna rutorna bara finns atomer vars snurr pekar nedåt.

Överraskande twist

Vilket av de två alternativen atomerna föredrar beror på oscillationsriktningen för laserstrålen som bestrålar dem, strikt enligt kvantmekanikens regler - åtminstone det är, om atomerna inte utsätts för någon spridning. När fysikerna utförde experimentet i en regim där påverkan av spridning (orsakad av förlust av fotoner från hålrummet) var tillräckligt stor, något ovanligt hände. "Våra data visade oss inte längre ett av de två mönstren, men det verkade snarare som om atomerna svängde igenom mönstren om och om igen, med en särskild rotationskänsla, "Esslinger beskriver de oväntade resultaten." Det var en spännande upptäckt - men vi hade absolut ingen aning om varför det hände. "

En ovanlig kraft

Genom att förenkla de kvantmekaniska ekvationerna som beskriver deras experiment, fysikerna kunde så småningom upptäcka en analogi till ett mekaniskt system. Faktiskt, formlerna hade en slående likhet med dem som beskriver en axel som svänger inuti ett lager. Mellan axeln och lagret, det finns ett visköst smörjmedel som ska säkerställa en jämn rotation. Dock, om axeln rör sig något från lagrets mitt, uppstår en ganska ovanlig friktionskraft som beror på axelns läge. Kraften uppstår eftersom avståndet mellan den roterande axeln och det stationära lagret i en riktning reduceras, och därför verkar olika friktionskrafter på axeln och lagret. Den resulterande lägesberoende kraften är vinkelrät mot riktningen i vilken axeln har rört sig. Som en konsekvens, axelns mitt börjar spiral runt lagrets mitt.

Nu när fysikerna kan beskriva den oväntade kvanteffekten med en konkret bild, de tänker redan på nästa steg:att utnyttja det för att medvetet styra och kontrollera kvantsystem. "I vanliga fall, avlägsnande förändrar eller försvagar befintliga kvanteffekter - men här har vi en effekt som faktiskt har sin existens att förlora, "säger Esslinger. Om liknande effekter möjligen kan vara mer utbredda i kvantsystem, och hur de kan användas i den kvantteknik som för närvarande utvecklas, är därför frågor som nu ligger hos forskarna.