Fysiker vid UC Santa Barbara, University of Maryland och University of Washington har hittat ett svar på den långvariga fysikfrågan:Hur påverkar interpartikelinteraktioner dynamisk lokalisering?

"Det är en riktigt gammal fråga som ärvts från den kondenserade materiens fysik", säger David Weld, en experimentell fysiker vid UCSB med specialiteter i ultrakall atomfysik och kvantsimulering. Frågan faller inom kategorin "mångakropps"-fysik, som undersöker de fysiska egenskaperna hos ett kvantsystem med flera interagerande delar. Medan problem med många kroppar har varit en fråga om forskning och debatt i decennier, leder komplexiteten i dessa system, med kvantbeteenden som överlagring och intrassling, till mängder av möjligheter, vilket gör det omöjligt att lösa genom enbart beräkning. "Många aspekter av problemet ligger utom räckhåll för moderna datorer," tillade Weld.

Lyckligtvis var detta problem inte utom räckhåll för ett experiment som involverar ultrakalla litiumatomer och lasrar. Så, vad dyker upp när du introducerar interaktion i ett oordnat, kaotiskt kvantsystem? Ett "konstigt kvanttillstånd", enligt Weld. "Det är ett tillstånd som är anomalt, med egenskaper som i någon mening ligger mellan den klassiska förutsägelsen och den icke-interagerande kvantförutsägelsen."

Fysikernas resultat publiceras i tidskriften Nature Physics .

'Något konstigt är på gång'

När det kommer till konstigt, kontraintuitivt beteende gör kvantvärlden ingen besviken. Ta till exempel en vanlig pendel, som skulle bete sig precis som vi skulle förvänta oss när den utsätts för energipulser.

"Om du sparkar den och skakar den upp och ner då och då, kommer en klassisk pendel kontinuerligt att absorbera energi, börja vicka överallt och utforska hela parameterutrymmet kaotiskt," sa Weld.

I kvantsystem ser kaos annorlunda ut. Istället för rörelse kan oordning få partiklar till ett slags stillastående. Och medan en sparkad kvantpendel eller "rotor" först kanske absorberar energi från sparkarna – liknande en klassisk pendel – med upprepade sparkar, slutar systemet att absorbera energi och momentumfördelningen fryser, i vad som kallas ett dynamiskt lokaliserat tillstånd. Denna lokalisering är nära analog med beteendet hos en "smutsig" elektronisk fast substans, i vilken störning resulterar i orörliga, lokaliserade elektroner, vilket gör att den fasta substansen övergår från att vara en metall eller en ledare (elektroner i rörelse) till att vara en isolator.

Även om detta tillstånd av lokalisering har utforskats i årtionden i samband med enskilda, icke-interagerande partiklar, vad händer i ett oordnat system med flera, interagerande elektroner? Frågor som denna och relaterade aspekter av kvantkaos var i sinnet hos Weld och hans medförfattare, University of Maryland-teoretikern Victor Galitski, under en diskussion för flera år sedan när Galitski besökte Santa Barbara.

"Vad Victor tog upp var frågan om vad som händer, om du istället för detta rena icke-interagerande kvantsystem som stabiliseras av interferens, har ett gäng av dessa rotorer och de kan alla stöta på och interagera med varandra", påminde Weld. "Består lokaliseringen eller förstörs den av interaktionerna?"

"Det är faktiskt en mycket svår fråga som relaterar till grunderna för statistisk mekanik och den grundläggande uppfattningen om ergodicitet, varvid de flesta interagerande system så småningom termaliserar till ett universellt tillstånd," sade Galitski.

Föreställ dig för ett ögonblick att hälla kall mjölk i hett kaffe. Partiklarna i din kopp kommer, med tiden och genom deras interaktioner, ordna sig till ett enhetligt jämviktstillstånd som varken är rent varmt kaffe eller kall mjölk. Denna typ av beteende - termalisering - förväntades av alla interagerande system. Det vill säga tills för cirka 16 år sedan när det hävdades att störningar i ett kvantsystem ansågs resultera i många kroppslokalisering (MBL).

"Detta fenomen, som uppmärksammades av Lars Onsager-priset tidigare i år, är svårt att noggrant bevisa teoretiskt eller etablera experimentellt," sa Galitski.

Welds grupp hade tekniken och expertis för att belysa situationen, bokstavligen. I deras labb finns en gas av 100 000 ultrakalla litiumatomer suspenderade i en stående våg av ljus. Varje atom representerar en kvantrotor som kan sparkas av laserpulser.

"Vi kan använda ett verktyg som kallas Feshbach-resonans för att hålla atomerna täckta från varandra, eller så kan vi få dem att studsa av varandra med godtyckligt starka interaktioner," sa Weld. Med en vridning kunde forskarna få litiumatomerna att gå från linedance till mosh pit och fånga deras beteenden.

Som väntat, när atomerna var osynliga för varandra, tog de lasern upp till en viss punkt, varefter de slutade röra sig i sitt dynamiskt lokaliserade tillstånd, trots upprepade sparkar. Men när forskarna ringde upp interaktionen minskade inte bara det lokala tillståndet, utan systemet verkade absorbera energi från de upprepade sparkarna och efterliknade klassiskt kaotiskt beteende.

Weld påpekade dock, medan det interagerande oordnade kvantsystemet absorberade energi, gjorde det det i en mycket långsammare takt än vad ett klassiskt system skulle göra.

"Vad vi ser är något som absorberar energi, men inte så bra som ett klassiskt system kan," sa han. "Och det verkar som om energin växer ungefär med kvadratroten av tiden istället för linjärt med tiden. Så interaktionerna gör det inte klassiskt; det är fortfarande ett konstigt kvanttillstånd som uppvisar onormal icke-lokalisering."

Testar för kaos

Welds team använde en teknik som kallas ett "eko" där den kinetiska evolutionen körs framåt och sedan bakåt för att direkt mäta hur interaktioner förstör tidsreversibiliteten. Denna förstörelse av tidsreversibilitet är en nyckelsignatur för kvantkaos.

"Ett annat sätt att tänka på detta är att fråga:Hur mycket minne av initialtillståndet har systemet efter en tid?" sa medförfattaren Roshan Sajjad, en doktorandforskare i litiumteamet. I avsaknad av några störningar som ströljus eller gaskollisioner, förklarade han, borde systemet kunna återgå till sitt ursprungliga tillstånd om fysiken körs bakåt. "I vårt experiment vänder vi om tiden genom att vända om fasen av sparkarna, och "ångra" effekterna av den första normala uppsättningen av sparkar," sa han. "En del av vår fascination var att olika teorier hade förutspått olika beteenden på resultatet av den här typen av interagerande upplägg, men ingen hade någonsin gjort experimentet."

"Den grova idén med kaos är att även om rörelselagarna är tidsreversibla kan ett system med många partiklar vara så komplicerat och känsligt för störningar att det är praktiskt taget omöjligt att återgå till sitt ursprungliga tillstånd", säger huvudförfattaren Alec Cao. Tvisten var att i ett effektivt oordnat (lokaliserat) tillstånd, bröt interaktionerna lokaliseringen något, även när systemet förlorade sin förmåga att vändas om i tid, förklarade han

"Naivt sett skulle du förvänta dig att interaktioner skulle förstöra tidsreversering, men vi såg något mer intressant:Lite interaktion hjälper faktiskt," tillade Sajjad. "Detta var ett av de mer överraskande resultaten av detta arbete."

Weld och Galitski var inte de enda som bevittnade detta luddiga kvanttillstånd. University of Washington fysiker Subhadeep Gupta och hans team körde ett kompletterande experiment samtidigt som producerade liknande resultat med hjälp av tyngre atomer i ett endimensionellt sammanhang. Det resultatet publiceras tillsammans med resultaten från UC Santa Barbara och University of Maryland i Nature Physics .

"Experimenten vid UW fungerade i en mycket svår fysisk regim med 25 gånger tyngre atomer begränsade till att röra sig i endast en dimension, men de mätte också svagare än linjär energitillväxt från periodiska sparkar, vilket kastade ljus över ett område där teoretiska resultat har varit i konflikt", säger Gupta, vars grupp samarbetade med teoretikern Chuanwei Zhang och hans team vid University of Texas i Dallas.

Dessa fynd, liksom många viktiga fysikresultat, öppnar upp för fler frågor och banar väg för fler kvantkaosexperiment, där den eftertraktade kopplingen mellan klassisk fysik och kvantfysik kan avslöjas.

"Davids experiment är det första försöket att undersöka en dynamisk version av MBL i en mer kontrollerad laboratoriemiljö," kommenterade Galitski. "Även om det inte entydigt har löst den grundläggande frågan på ett eller annat sätt, visar uppgifterna att något konstigt pågår."

"Hur kan vi förstå dessa resultat i samband med det mycket stora arbetet med lokalisering av många kroppar i system med kondenserad materia?" frågade Weld. "Hur kan vi karakterisera detta tillstånd av materia? Vi observerar att systemet delokaliseras, men inte med det förväntade linjära tidsberoendet; vad händer där? Vi ser fram emot framtida experiment som utforskar dessa och andra frågor." + Utforska vidare

Fysiker rapporterar om "kvantboomerang"-effekten i oordnade system