В повседневной жизни мы наблюдаем, что при совершении работы над системой она нагревается. Трение рук друг о друга согревает их. Удары по куску металла делают его горячим. Даже не зная уравнений, мы по опыту знаем: воздействие на любую систему — перемешивание, нажатие или удар — приводит к повышению температуры.
То же самое ожидается и для микроскопических квантовых систем: когда мы непрерывно возбуждаем систему из множества частиц, особенно с сильными взаимодействиями между частицами, мы ожидаем, что она будет поглощать энергию и нагреваться. Но так ли это всегда, особенно на квантовом уровне?
Нет, — говорит эксперимент, проведённый группой Ханнса-Кристофа Нэгерла из Департамента экспериментальной физики Инсбрукского университета. Исследование было опубликовано в журнале Science.
Что сделали учёные?
Учёные создали одномерную квантовую жидкость из сильно взаимодействующих атомов, охлаждённых до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля. Затем они подвергли атомы быстро и периодически вспыхивающему потенциалу решётки — своего рода периодически «подталкиваемому» ландшафту, созданному с помощью лазерного света.
При таких условиях можно было ожидать, что атомы будут коллективно поглощать энергию с течением времени, подобно тому как дети на батуте перемещаются за счёт прыжков одного ребёнка. Однако команда учёных наблюдала нечто иное. После короткого периода начальной эволюции распределение импульсов атомов перестало распространяться, а кинетическая энергия системы вышла на плато.
Несмотря на постоянные толчки и сильные взаимодействия, система больше не поглощала энергию. Она локализовалась в импульсном пространстве — это замечательное явление получило название динамической локализации многих тел (MBDL).
«В этом состоянии квантовая когерентность и запутанность многих тел предотвращают термализация системы и диффузионное поведение, даже при постоянном внешнем воздействии», — объясняет Ханнс-Кристоф Нэгерл. «Распределение импульсов по сути замирает и сохраняет любую имеющуюся у него структуру».
Реакция исследователей
Яньлян Го, ведущий автор исследования, всё ещё озадачен: «Мы изначально ожидали, что атомы начнут разлетаться повсюду. Вместо этого они вели себя удивительно упорядоченно».
Лэй Ин, теоретик из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, Китай, соглашается: «Это не соответствует нашим наивным ожиданиям. Поразительно то, что в сильно возбуждаемой и сильно взаимодействующей системе когерентность многих тел может явно остановить поглощение энергии. Это противоречит нашей классической интуиции и раскрывает замечательную стабильность, уходящую корнями в квантовую механику».
Ин добавляет, что моделирование такой, казалось бы, простой системы на классическом компьютере — сложная задача. «Вот почему нам нужны эксперименты. Они идут рука об руку с нашим теоретическим моделированием».
Проверка хрупкости явления MBDL
Чтобы проверить хрупкость явления MBDL, исследователи внесли в последовательность воздействий элемент случайности. Действительно, небольшого количества беспорядка было достаточно, чтобы разрушить эффект локализации и восстановить диффузию: распределение импульсов стало размытым, кинетическая энергия резко возросла, и система начала непрерывно поглощать энергию.
«Этот тест показал, что квантовая когерентность имеет решающее значение для предотвращения термализации в таких управляемых системах многих тел», — говорит Ханнс-Кристоф Нэгерл.
Значение открытия
Результаты исследования MBDL представляют не только фундаментальный интерес. Понимание того, как квантовые системы избегают термализации, является ключевым шагом на пути к созданию более совершенных квантовых устройств, включая квантовые симуляторы и компьютеры, для которых неконтролируемый нагрев и декогерентность являются серьёзными препятствиями.
«Этот эксперимент предоставляет точный и хорошо настраиваемый способ изучения того, как квантовые системы могут противостоять хаосу», — говорит Го. Результаты открывают новое окно в физику управляемого квантового вещества и ставят под сомнение устоявшиеся предположения.
Предоставлено Инсбрукским университетом.