В повседневной жизни мы наблюдаем, что непрерывное воздействие на систему приводит к её нагреву. Трение рук друг о друга согревает их. Удары по куску металла делают его горячим. Даже не зная уравнений, мы из опыта знаем: воздействие на любую систему — перемешиванием, давлением или ударами — приводит к повышению температуры системы.
То же самое ожидается и для микроскопических квантовых систем: когда мы непрерывно возбуждаем систему из многих частиц, особенно с сильным взаимодействием 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 Нэгерля из Департамента экспериментальной физики Инсбрукского университета. Исследование [опубликовано](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8625) в журнале Science.
Исследователи 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 бы ожидать, что атомы будут коллективно поглощать энергию с течением времени, подобно паре детей на батуте, которых толкает только один прыгающий ребёнок. Однако команда 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 сильное взаимодействие, система больше не поглощала энергию. Она локализовалась в импульсном пространстве — замечательное явление, называемое динамической локализацией многих тел (MBDL).
«В этом состоянии квантовая когерентность и запутанность многих тел предотвращают термализации системы и диффузионное поведение, даже при постоянном внешнем воздействии», — объясняет Ханнс-Кристоф Нэгерль. «Распределение импульсов по существу застывает и сохраняет любую имеющуюся у него структуру».
Яньлян Го, ведущий автор исследования, всё ещё озадачен: «Мы изначально ожидали, что атомы начнут летать повсюду. Вместо этого они вели себя удивительно упорядоченно».
Лэй Ин, теоретик из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, Китай, соглашается: «Это не соответствует нашим наивным ожиданиям. Поразительным является тот факт, что в сильно управляемой и сильно взаимодействующей системе когерентность многих тел может явно остановить поглощение энергии. Это противоречит нашей классической интуиции и раскрывает замечательную стабильность, коренящуюся в квантовой механике».
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».
Чтобы проверить хрупкость явления MBDL, исследователи ввели случайность в последовательность воздействий. Действительно, небольшого количества беспорядка было достаточно, чтобы разрушить эффект локализации и восстановить диффузию: распределение импульсов стало размытым, кинетическая энергия резко возросла, и система непрерывно поглощала энергию.
«Этот тест показал, что квантовая когерентность имеет решающее значение для предотвращения термализации в таких управляемых системах многих тел», — говорит Ханнс-Кристоф Нэгерль.
Выводы о 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 бросают вызов устоявшимся предположениям.
Предоставлено [Инсбрукским университетом](https://phys.org/partners/university-of-innsbruck/).
quantum level?”,”No, says an experiment carried out by a team from Hanns-Christoph Nägerl’s group at the Department of Experimental Physics of the University of Innsbruck. The research has been published in Science.“,”The researchers created a one-dimensional quantum fluid of strongly interacting atoms cooled to just a few nanokelvin above absolute zero temperature. They then exposed the atoms to a rapidly and periodically flashed-on lattice potential—a kind of periodically \”kicked\” landscape made by laser light.”,”Under such conditions, one would expect the atoms to collectively absorb energy as time progresses, a bit like a couple of children on a trampoline being moved by only one child jumping. Yet the team observed something different. After a brief period of initial evolution, the atoms’ momentum distribution stopped spreading, and the system’s kinetic energy plateaued.”,”Despite being continually kicked and strongly interacting, the system no longer absorbed energy. It had localized in momentum space, a remarkable phenomenon termed many-body dynamical localization (MBDL).”,”\”In this state, quantum coherence and many-body entanglement prevent the system from thermalizing and from showing diffusive behavior, even under sustained external driving,\” explains Hanns-Christoph Nägerl. \”The momentum distribution essentially freezes and retains whatever structure it has.\””,”Yanliang Guo, the lead author of the study, is still puzzled: \”We had initially expected that the atoms would start flying all around. Instead, they behaved in an amazingly orderly manner.\””,”Lei Ying, a theory collaborator from Zhejing University in Hangzhou, China, agrees: \”This is not to our naive expectation. What’s striking is the fact that in a strongly driven and strongly interacting system, many-body coherence can evidently halt energy absorption. This goes against our classical intuition and reveals a remarkable stability rooted in quantum mechanics.\””,”Ying adds that simulating such a seemingly simple system on a classical computer is a daunting task. \”That’s why we need experiments. They go hand in hand with our theory simulations.\””,”To test the fragility of the MBDL phenomenon, the researchers introduced randomness into the driving sequence. Indeed, a rather small amount of disorder was already enough to destroy the localization effect and to restore diffusion: the momentum distribution became smeared out, the kinetic energy rose sharply, and the system absorbed energy continuously.”,”\”This test highlighted that quantum coherence is crucial for preventing thermalization in such driven many-body systems,\” says Hanns-Christoph Nägerl.”,”The findings on MBDL are not just of fundamental interest. Understanding how quantum systems evade thermalization is a key step on the road toward building better quantum devices, including quantum simulators and computers, for which uncontrolled heating and decoherence are major obstacles.”,”\”This experiment provides a precise and highly tunable way for exploring how quantum systems can resist the pull of chaos,\” says Guo. The results open a new window into the physics of driven quantum matter, and challenge long-held assumptions.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Innsbruck\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник