Universellt beteende är en central egenskap hos fasövergångar, som till exempel kan ses i magneter som inte längre är magnetiska över en viss temperatur. Ett team av forskare från Kaiserslautern, Berlin och Hainan, Kina, har för första gången lyckats observera ett sådant universellt beteende i den tidsmässiga utvecklingen av ett öppet kvantsystem, en enda cesiumatom i ett bad av rubidiumatomer.
Detta fynd hjälper till att förstå hur kvantsystem når jämvikt. Detta är av intresse för utvecklingen av till exempel kvantteknik. Studien har publicerats i Nature Communications .
Fasövergångar inom kemi och fysik är förändringar i ett ämnes tillstånd, till exempel förändringen från en flytande till en gasfas, när en extern parameter som temperatur eller tryck ändras.
"Magneter är ett bra exempel", säger professor Dr. Artur Widera, som leder enheten för individuella kvantsystem vid University Kaiserslautern-Landau (RPTU).
"Ferromagneter visar spontan magnetisering utan ett externt magnetfält, d.v.s. de är magnetiska i sig, men endast under en viss kritisk temperatur. När temperaturen stiger över denna punkt genomgår systemet en kontinuerlig fasövergång; över denna temperatur är materialet inte längre magnetisk."
I ett experiment kan ett universellt beteende vid en fasövergång specifikt induceras genom att ändra en parameter som tryck, magnetism eller temperatur. Det speciella är att detta beteende av en fysisk storhet "kan beskrivas av ett fåtal kritiska parametrar", fortsätter Widera, "som i sin tur är oberoende av detaljerna i det aktuella systemet."
Kan detta universella beteende också observeras i kvantvärlden, dvs på atomär och subatomär nivå?
I den aktuella studien placerade Wideras forskargrupp individuella cesiumatomer i ett specifikt kvanttillstånd och nedsänkte dem i en gas av rubidiumatomer. Denna kombination av ett enda kvantsystem (cesium) som interagerar med rubidiumbadet kallas i specialistkretsar också för ett öppet kvantsystem. Både cesiumatomerna och rubidiumatomerna kyldes ner till nästan absolut noll.
"I motsats till de vanliga observationerna, i vårt experiment, var tiden parametern som skulle nå en kritisk punkt, eller kritisk tid", säger Dr Jens Nettersheim, forskarassistent vid Widera och medförfattare till studien. För att uppnå detta var forskarna tvungna att excitera kvantsystemet med mycket energi.
"Vad vi nu har observerat är att entropin först ökar när systemet utvecklas över tiden", tillägger Ling-Na Wu, en teoretisk fysiker som följde med projektet och är den första författaren till studien.
Forskare förstår termen entropi som ett mått på störningen i ett visst system och därför också möjligheten att partiklar ordnar sig i ett system – som i det här fallet cesium- och rubidiumatomerna. Ju större störning i ett system, desto högre entropi och vice versa. Wu säger, "Detta händer tills entropin når sitt maximala värde, som sedan minskar igen."
Det är just vid denna tidpunkt, den kritiska tiden, som det universella beteendet hos kvantsystemet inträder. André Eckardt, professor i teoretisk fysik vid Technische Universität (TU) Berlin, som ledde det teoretiska arbetet med detta projekt, förklarar, " Vid denna tidpunkt händer följande:Bildligt talat förlorar systemet sitt minne av vad som hände tidigare, eller av det exakta initiala tillståndet. Den efterföljande dynamiken är universell." Inom fysiken innebär det att beteendet kan beskrivas med en formel och en parameter.
Studien visar att det i öppna kvantsystem finns ett universellt beteende med hänsyn till tid. Med detta arbete bidrar fysikerna till en bättre förståelse av den grundläggande funktionen hos sådana system. "Det är fortfarande inte helt klart hur sådana öppna kvantsystem frigör energi, d.v.s. slappnar av, och hur exakt termodynamisk jämvikt uppnås", förklarar Widera.
Många tekniska applikationer fungerar idag bara tack vare den kvantteknologi som är inbyggd i dem. I framtiden kommer det att spela en allt viktigare roll, till exempel i kvantdatorer eller kvantsensorer. Det är därför viktigt att förstå vad som händer i sådana system och hur de interagerar med sin omgivning.
Wideras team genomförde experimenten vid RPTU i Kaiserslautern; det teoretiska arbetet för denna studie tillhandahölls av arbetsgruppen ledd av professor Dr. André Eckardt från Institutet för teoretisk fysik vid TU Berlin, med Ling-Na Wu från Hainan University i Kina också involverad.
Mer information: Ling-Na Wu et al, Indikation på kritisk skalning i tid under avslappningen av ett öppet kvantsystem, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9
Tillhandahålls av Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
