Экспериментальное наблюдение квантовых лавин в локализованной системе многих тел
Многочастичная локализация возникает, когда система, состоящая из взаимодействующих частиц, не может достичь теплового равновесия даже при высоких температурах. Таким образом, в многочастичных локализованных системах частицы остаются в неравновесном состоянии в течение длительных периодов времени, даже когда через них проходит много энергии. Оказалось, что локализация не так надежна, как считалось ранее, и что она может не сохраняться в течение очень долгого времени. Предполагалось, что изначально частицы в неупорядоченной части их системы должны локализоваться. Однако постепенно частицы из неупорядоченной области начали распространяться в неупорядоченную с возрастающей скоростью, как и предсказывали теоретические предсказания.
Взгляд художника на квантовый газовый микроскоп. Холодные атомы помещаются в фокус объектива микроскопа с высоким разрешением. Проецируя специально подобранные лазерные лучи, можно создавать почти произвольные потенциалы, в которых могут двигаться атомы. Затем система исследуется путем визуализации атомов через объектив и фотографирования с помощью камеры. Предоставлено: Леонар и др.
Сильно коррелированные системы — это системы, состоящие из частиц, которые сильно взаимодействуют друг с другом до такой степени, что их индивидуальное поведение зависит от поведения всех других частиц в системе. В состояниях, далеких от равновесия, эти системы могут иногда вызывать удивительные и неожиданные физические явления, такие как многочастичная локализация.
Многочастичная локализация возникает, когда система, состоящая из взаимодействующих частиц, не может достичь теплового равновесия даже при высоких температурах. Таким образом, в многочастичных локализованных системах частицы остаются в неравновесном состоянии в течение длительных периодов времени, даже когда через них проходит много энергии.
Теоретические предсказания предполагают, что неустойчивость многочастичной локализованной фазы вызвана небольшими термическими включениями в сильно взаимодействующей системе, которые действуют как ванна. Эти включения приводят к делокализации всей системы посредством механизма, известного как лавинообразное распространение.
Исследователи из группы Маркуса Грейнера из Гарвардского университета недавно провели исследование, изучающее этот увлекательный, но до сих пор неуловимый механизм. Их исследование, опубликованное в Nature Physics, привело к первому экспериментальному наблюдению возникновения квантовых лавин в локализованной системе многих тел.
«Остаются ли частицы локализованными в неупорядоченном потенциале или же они рассредоточиваются — это давний вопрос, который занимает физиков на протяжении многих десятилетий», — сказал Phys.org Джулиан Леонар, один из исследователей, проводивших исследование. «Этот вопрос важен, потому что в материалах локализация связана с электронным транспортом, поэтому понимание условий, при которых частицы локализуются, скажет нам, почему определенные материалы являются изоляторами или проводниками».
Локализация частиц — это квантово-механический эффект, поскольку он зависит от волновой природы электронов и механизма запутывания (т. е. квантово-механического процесса, посредством которого частицы, в данном случае электроны, становятся сильно коррелированными). Лучшее понимание локализации является ключевой задачей для сообщества физиков, так как это может дать большую информацию как для исследований, так и для разработки технологий.
Во-первых, идеальная локализация — интересная тема для исследований, потому что она противоречит термодинамике, одной из самых известных и хорошо зарекомендовавших себя физических теорий. Во-вторых, система с идеально локализованными частицами сможет хранить квантовую информацию в течение более длительных периодов времени, поэтому понимание лежащих в ее основе механизмов может способствовать развитию квантовых технологий, особенно квантовой памяти.
Лаборатория квантового газа в Гарвардском университете. Установка размещена на двух оптических столах с лазерными пучками, оптическими волокнами и сверхвысоковакуумной камерой. Справа виден экспериментальный центр управления. Предоставлено: Леонар и др.
«Эта так называемая квантовая память необходима для квантовых вычислений и протоколов связи», — сказал Леонар. «Несколько исследовательских групп, в том числе наша, ранее видели, что взаимодействующие частицы действительно могут локализоваться, и было широко распространено мнение, что эта локализация должна преобладать немного слабее где-то в системе. Может ли этого быть достаточно, чтобы разрушить локализацию?"
Основная цель недавнего исследования Леонара и его коллег состояла в том, чтобы тщательно изучить локализацию и ее надежность. Прошлые теоретические расчеты предсказывали, что локализация может быть разрушена по замысловатому и увлекательному сценарию.
В частности, теоретики предсказали, что при правильных условиях частицы в слабо неупорядоченной области могут быстро перемещаться в сторону сильно неупорядоченной части системы, делокализуя ее. Это явление известно как квантовая лавина, поскольку его можно рассматривать как волну локализованных частиц, смещающихся в сторону этой делокализованной области, быстро ускоряющую и делокализующую всю систему, напоминающую лавину.
«Для нас задача состояла в том, чтобы экспериментально реализовать такую систему в лаборатории», — сказал Леонар. «Для этого мы поместили холодные атомы в потенциал, который мы построили из лазерных лучей точной формы. Одна часть потенциала была неупорядоченной, другая часть не имела беспорядка. Затем мы ждали, чтобы увидеть, как эти две области будут взаимодействовать с течением времени, и измерил как далеко будут распространяться частицы. С холодными атомами это можно сделать очень хорошо, наблюдая за ними в оптический микроскоп».
Интересно, что Леонар и его коллеги обнаружили, что изначально частицы в неупорядоченной части их системы должны локализоваться. Однако постепенно частицы из неупорядоченной области начали распространяться в неупорядоченную с возрастающей скоростью, как и предсказывали теоретические предсказания.
Эти наблюдения предполагают, что они впервые успешно исследовали начало квантовой лавины в экспериментальных условиях. Примечательно, что это может означать, что локализация не так надежна, как считалось ранее, и что она может не сохраняться в течение очень долгого времени. Эти интересные результаты могут вскоре вдохновить на новые эксперименты, направленные на дальнейшее исследование квантовых лавин и оценку надежности локализации в сильно взаимодействующих системах многих тел.
«Наши эксперименты знаменуют собой открытие квантовых лавин, но это только начало изучения их свойств», — добавил Леонар. «Многие вопросы остаются открытыми, в частности, при каких условиях происходят эти лавины, как часто они возникают и есть ли способы остановить их распространение. Эти факторы в конечном итоге определят, всегда ли локализация нестабильна или только для определенных условий».
