Kvantvärlden trotsar uppenbart intuitioner som vi har utvecklat medan vi lever bland relativt stora saker, som bilar, slantar och dammfläckar. I kvantvärlden, små partiklar kan upprätthålla en speciell anslutning över alla avstånd, passera genom barriärer och färdas samtidigt på flera vägar.

Ett mindre känt kvantbeteende är dynamisk lokalisering, ett fenomen där ett kvanteobjekt förblir vid samma temperatur trots en stadig energiförsörjning - antar antagandet att ett kallt föremål alltid kommer att stjäla värme från ett varmare föremål.

Detta antagande är en av hörnstenarna i termodynamik - studiet av hur värme rör sig. Det faktum att dynamisk lokalisering trotsar denna princip innebär att något ovanligt händer i kvantvärlden - och att dynamisk lokalisering kan vara en utmärkt undersökning av var kvantdomänen slutar och traditionell fysik börjar. Förstå hur kvantsystem upprätthåller, eller misslyckas med att underhålla, kvantbeteende är viktigt inte bara för vår förståelse av universum utan också för den praktiska utvecklingen av kvantteknik.

"Vid något tillfälle, världens kvantbeskrivning måste gå över till den klassiska beskrivning som vi ser, och man tror att detta sker genom interaktioner, "säger JQI:s postdoktor Colin Rylands.

Tills nu, dynamisk lokalisering har bara observerats för enstaka kvanteobjekt, vilket har hindrat den från att bidra till försök att fastställa var övergången sker. För att utforska denna fråga, Rylands, tillsammans med JQI Fellow Victor Galitski och andra kollegor, undersökte matematiska modeller för att se om dynamisk lokalisering fortfarande kan uppstå när många kvantpartiklar interagerar. För att avslöja fysiken, de var tvungna att skapa modeller för att ta hänsyn till olika temperaturer, interaktionsstyrkor och gånger. Lagets resultat, publicerad i Fysiska granskningsbrev , tyder på att dynamisk lokalisering kan uppstå även när starka interaktioner är en del av bilden.

"Detta resultat är ett exempel på där en enda kvantpartikel uppträder helt annorlunda än en klassisk partikel, och sedan även med tillägg av starka interaktioner liknar beteendet fortfarande det hos kvantpartiklarna snarare än det klassiska, "säger Rylands, vem är den första författaren till artikeln.

En Quantum Merry-Go-Round

Resultatet sträcker sig dynamisk lokalisering utöver dess enkelpartikel ursprung, in i regimen för många interagerande partiklar. Men för att visualisera effekten, det är fortfarande bra att börja med en enda partikel. Ofta, att en enda partikel diskuteras i termer av en rotor, som du kan föreställa dig som en lekplats (eller något annat som snurrar i en cirkel). En rotors energi (och dess temperatur) är direkt relaterad till hur snabbt den snurrar. Och en rotor med stadig energiförsörjning - en som får en regelbunden "kick" - är ett bekvämt sätt att visualisera skillnaderna i energiflödet i kvant- och klassisk fysik.

Till exempel, tänk dig att Hercules oförtröttligt sveper på en mery-go-round. De flesta av hans svepningar kommer att påskynda det, men ibland kommer ett svep att landa dåligt och sakta ner det. Under dessa (inbillade) förhållanden, en vanlig merry-go-round skulle snurra snabbare och snabbare, bygga upp mer och mer energi tills vibrationer äntligen skakar isär det hela. Detta representerar hur en normal rotor, i teorin, kan värma upp för alltid utan att nå en energigräns.

I kvantvärlden, saker går annorlunda. För en kvantupplevelse ökar eller sänker varje svep inte bara hastigheten. Istället, varje svep ger en kvantöverlagring över olika hastigheter, representerar chansen att hitta rotorn som snurrar i olika hastigheter. Det är inte förrän du gör en mätning som en viss hastighet kommer fram från kvantöverläget som orsakats av föregående sparkar.

Tidigare forskning, både teoretiskt och experimentellt, har visat att en kvantrotor till en början inte uppför sig särskilt annorlunda än en normal rotor på grund av denna skillnad-i genomsnitt kommer en kvantrundtur också att ha mer energi efter att ha upplevt fler sparkar. Men när en kvantrotor har sparkats tillräckligt, dess hastighet tenderar till platå. Efter en viss punkt, vår kvant Hercules ihållande ansträngning misslyckas med att öka kvantens merry-go-rounds energi (i genomsnitt).

Detta beteende liknar begreppsmässigt ett annat termodynamikförsvarande kvantfenomen som kallas Anderson-lokalisering. Philip Anderson, en av grundarna till kondensmaterialets fysik, fick ett nobelpris för upptäckten av fenomenet. Han och hans kollegor förklarade hur en kvantpartikel, som en elektron, kan fastna trots många uppenbara möjligheter att flytta. De förklarade att brister i arrangemanget av atomer i ett fast ämne kan leda till kvantstörning mellan de vägar som är tillgängliga för en kvantpartikel, ändra sannolikheten för att det tar varje väg. I Andersons lokalisering, chansen att vara på någon väg blir nästan noll, lämnar partikeln instängd.

Dynamisk lokalisering ser mycket ut som Anderson -lokalisering men istället för att fastna i en viss position, en partikels energi fastnar. Som ett kvanteobjekt, en rotors energi och därmed hastigheten är begränsad till en uppsättning kvantiserade värden. Dessa värden bildar ett abstrakt rutnät eller gitter som liknar atomernas placering i ett fast ämne och kan ge en interferens bland energistater som liknar störningen mellan vägar i det fysiska rummet. Sannolikheten för de olika möjliga energierna, i stället för en partikels möjliga vägar, blanda sig i, och energin och hastigheten fastnar nära ett enda värde, trots pågående sparkar.

Utforska en ny Quantum Playground

Medan Anderson -lokalisering gav forskare ett perspektiv att förstå en enda sparkad kvantrotor, det lämnade viss oklarhet om vad som händer med många interagerande rotorer som kan kasta energi fram och tillbaka. En vanlig förväntning var att de extra interaktionerna skulle möjliggöra normal uppvärmning genom att störa kvantbalansen som begränsar ökningen av energi.

Galitski och kollegor identifierade ett endimensionellt system där de trodde att förväntan kanske inte stämde. De valde en interagerande endimensionell Bose-gas som sin lekplats. I en Bose -gas, partiklar som zippar fram och tillbaka längs en linje spelar rollen hos rotorerna som snurrar på plats. Gasatomerna följer samma grundläggande principer som sparkade rotorer men är mer praktiska att arbeta med i ett labb. I laboratorier, lasrar kan användas för att innehålla gasen och även för att kyla atomerna i gasen till en låg temperatur, vilket är viktigt för att säkerställa ett starkt kvantbeteende.

När laget väl valt denna lekplats, de undersökte matematiska modeller av de många interagerande gasatomerna. Utforska gasen vid olika temperaturer, interaktionsstyrkor och antal sparkar krävde att teamet växlade mellan flera olika matematiska tekniker för att få en fullständig bild. I slutändan kombinerade deras resultat att föreslå att när en gas med starka interaktioner börjar nära noll temperatur kan den uppleva dynamisk lokalisering. Teamet kallade detta fenomen för "dynamisk lokalisering med många kroppar".

"Dessa resultat har viktiga konsekvenser och visar i grunden vår ofullständiga förståelse för dessa system, "säger Robert Konik, en medförfattare av tidningen och fysikern vid Brookhaven National Lab. "De innehåller också fröet till möjliga tillämpningar eftersom system som inte accepterar energi bör vara mindre känsliga för kvantdekoherenseffekter och så kan vara användbara för att göra kvantdatorer."

Experimentellt stöd

Självklart, en teoretisk förklaring är bara halva pusslet; experimentell bekräftelse är avgörande för att veta om en teori är på fast mark. Lyckligtvis, ett experiment på motsatta kusten i USA har drivit samma ämne. Samtal med Galitski inspirerade David Weld, docent i fysik vid University of California, Santa Barbra, att använda sitt teams experimentella expertis för att undersöka dynamisk lokalisering av många kroppar.

"Vanligtvis är det inte lätt att övertyga en experimentist att göra ett experiment baserat på teori, "säger Galitski." Det här fallet var lite allvarligt, att David redan hade nästan allt klart. "

Welds team använder en kvantgas av litiumatomer som begränsas av lasrar för att skapa ett experiment som liknar den teoretiska modellen Galitskis team utvecklade. (Den största skillnaden är att i experimentet rör sig atomerna i tre dimensioner istället för bara en.)

I experimentet, Weld och hans team sparkar atomerna hundratals gånger med hjälp av laserpulser och observerar upprepade gånger deras öde. För olika försök av experimentet anpassade de atomernas interaktionsstyrka till olika värden.

"Det är trevligt eftersom vi kan gå till en icke -interagerande regim helt perfekt, och det är något som det är ganska enkelt att beräkna beteendet för, "säger Weld." Och sedan kan vi ständigt skruva upp interaktionen och gå in i en regim som mer liknar vad Victor och hans medarbetare pratar om i den här senaste tidningen. Och vi observerar lokalisering, även i närvaro av de starkaste interaktioner som vi kan lägga till systemet. Det har varit en överraskning för mig. "

Deras preliminära resultat bekräftar förutsägelsen att dynamisk lokalisering med många kroppar kan uppstå även när starka interaktioner är en del av bilden. Detta öppnar nya möjligheter för forskare att försöka fastställa gränsen mellan kvant- och klassisk värld.

"Det är trevligt att kunna visa något som folk inte förväntade sig och även för att det skulle vara experimentellt relevant, säger Rylands.