Där var de, i all sin konstiga kvant -ära:ultrakylda litiumatomer i den optiska fällan som drivs av UC Santa Barbara -studenter Alec Cao och hans kollegor i David Welds atomfysikgrupp. Hålls av lasrar i en vanlig, gitterbildning och "drivs" av energipulser, dessa atomer gjorde galna saker.

"Det var lite bisarrt, "Sade Weld." Atomer skulle pumpas åt ett håll. Ibland pumpades de åt ett annat håll. Ibland skulle de riva isär och göra dessa strukturer som såg ut som DNA. "

Dessa nya och oväntade beteenden var resultatet av ett experiment utfört av Cao, Weld och kollegor för att flytta gränserna för vår kunskap om kvantvärlden. Resultaten? Nya riktningar inom dynamisk kvantteknik, och en spännande väg mot en koppling mellan klassisk och kvantfysik.

Deras forskning publiceras i tidskriften Fysisk granskningsforskning .

"Det händer många roliga saker när man skakar ett kvantsystem, sa Weld, vars laboratorium skapar "konstgjorda fasta ämnen"-lågdimensionella gitter av ljus och ultrakylda atomer-för att simulera beteendet hos kvantmekaniska partiklar i tätare packade sanna fasta ämnen när de utsätts för drivkrafter. De senaste experimenten var de senaste i ett resonemang som sträcker sig tillbaka till 1929, när fysikern och nobelpristagaren Felix Bloch först förutspådde att inom ramen för en periodisk kvantstruktur, en kvantpartikel under en konstant kraft kommer att pendla.

"De svävar faktiskt fram och tillbaka, vilket är en följd av materiens vågkaraktär, "Sade Weld. Medan dessa positions-rymd-Bloch-svängningar förutspåddes för nästan ett sekel sedan, de observerades direkt först relativt nyligen; i själva verket var Welds grupp först med att se dem 2018, med en metod som gjorde dessa ofta snabba, oändliga små slängningar stora och långsamma, och lätt att se.

För ett decennium sedan, andra experiment lade ett tidsberoende till Bloch -oscilleringssystemet genom att utsätta det för ytterligare, periodisk kraft, och fann ännu mer intensiv aktivitet. Oscillationer ovanpå oscillationer - super Bloch -oscillationer - upptäcktes.

För denna studie, forskarna tog systemet ytterligare ett steg längre, genom att ändra det utrymme där dessa atomer interagerar.

"Vi byter faktiskt galler, sa Weld, genom olika laserintensiteter och yttre magnetiska krafter som inte bara tillförde ett tidsberoende utan också kröjde gitteret, skapa ett inhomogent kraftfält. Deras metod att skapa stora, långsamma svängningar, han lade till, "gav oss möjlighet att titta på vad som händer när du har ett Bloch -oscillerande system i en inhomogen miljö."

Det var då saker blev konstiga. Atomerna sköt fram och tillbaka, sprider sig ibland, andra gånger skapar mönster som svar på energipulserna som trycker på gallret på olika sätt.

"Vi kunde följa deras framsteg med siffror om vi arbetade hårt med det, "Sade Weld." Men det var lite svårt att förstå varför de gör en sak och inte den andra. "

Det var insikt från Cao, tidningens huvudförfattare, vilket ledde till ett sätt att dechiffrera det konstiga beteendet.

"När vi undersökte dynamiken hela tiden på en gång, vi såg bara en röra eftersom det inte fanns någon underliggande symmetri, gör fysiken utmanande att tolka, "sa Cao, som börjar sitt fjärde år vid UCSB:s College of Creative Studies.

För att få fram symmetrin, forskarna förenklade detta till synes kaotiska beteende genom att eliminera en dimension (i detta fall, tid) genom att använda en matematisk teknik som ursprungligen utvecklades för att observera klassisk olinjär dynamik som kallas en Poincaré -sektion.

"I vårt experiment, ett tidsintervall bestäms av hur vi periodiskt ändrar gitteret i tid, "Sa Cao." När vi släppte ut alla "mellanliggande" tider och tittade på beteendet en gång varje period, struktur och skönhet växte fram i banornas former eftersom vi respekterade det fysiska systemets symmetri korrekt. "Att observera systemet endast vid perioder baserat på detta tidsintervall gav ungefär en stop-motion-representation av dessa atoms komplicerade men cykliska rörelser .

"Vad Alec tänkte är att dessa vägar - dessa Poincaré -banor - berättar exakt varför i vissa regimer för att köra atomerna pumpas, medan i andra körregimer sprids atomerna ut och bryter upp vågfunktionen, "Weld tillagd. En riktning forskarna kunde ta härifrån, han sa, är att använda denna kunskap för att konstruera kvantsystem för att få nya beteenden genom körning, med applikationer inom växande områden som topologisk kvantberäkning.

"Men en annan riktning vi kan ta är att titta på om vi kan studera uppkomsten av kvantkaos när vi börjar göra saker som att lägga till interaktioner i ett driven system som detta, "Sa Weld.

Det är ingen liten bedrift. Fysiker har i decennier försökt hitta länkar mellan klassisk och kvantfysik - en vanlig matematik som kan förklara begrepp inom ett område som verkar ha ingen analog i det andra, som klassiskt kaos, språket som inte finns i kvantmekaniken.

"Du har säkert hört talas om fjärilseffekten - en fjäril som flaxar med vingarna i Karibien kan orsaka en tyfon någonstans i världen, "sa Weld." Det är faktiskt en egenskap hos klassiska kaotiska system, som har ett känsligt beroende av initiala förhållanden. Den egenskapen är faktiskt väldigt svår att återge i kvantsystem - det är förbryllande att komma med samma förklaring i kvantsystem. Så det här är kanske en liten bit av den forskningsgruppen. "