Vědci objevili hybridní kvantový systém

Vědci z JQI objevili kvantový systém, který je směsicí řádu a chaosu.

Slovo „chaos“ obvykle evokuje nedostatek pořádku: hektický den, dospívající ložnice, daňová sezóna. A fyzické pochopení chaosu není daleko. Je to něco extrémně obtížného předvídat, jako je počasí. Chaos může proměnit malé uklouznutí (mávání křídlem motýla) na hlavní důsledek (tajfun v polovině světa), což vysvětluje, proč předpovědi počasí delší než několik dní v budoucnosti mohou být nespolehlivé. Jednotlivé molekuly vzduchu, které se neustále odrážejí, jsou také chaotické – je téměř nemožné určit, kde by v daném okamžiku mohla být jedna molekula.

Nyní se možná ptáte, proč někoho zajímá přesné umístění jedné molekuly vzduchu. Mohla by vás však zajímat vlastnost, kterou sdílí široká škála molekul, například: B. jejich teplota. Možná neintuitivně je to chaotická povaha molekul, která jim umožňuje vyplnit prostor a dosáhnout jediné teploty. Individuální chaos nakonec vede ke kolektivnímu řádu.

Schopnost použít jediné číslo (teplotu) k popisu řady částic odrážejících se šílenými, nepředvídatelnými způsoby je nesmírně užitečné, ale ne vždy se to stane. Tým teoretických fyziků JQI se rozhodl pochopit, kdy bude tento popis platit.

„Ambiciózním cílem je pochopit, jak chaos a univerzální tendence většiny fyzikálních systémů k dosažení tepelné rovnováhy vyplývají ze základních fyzikálních zákonů,“ říká Victor Galitski, člen JQI, který je také profesorem fyziky na University of Maryland (UMD) je).

Jako první krok k tomuto ambicióznímu cíli chtěli Galitski a dva kolegové pochopit, co se stane, když se spojí mnoho částic, z nichž každá je sama o sobě chaotická. Například ve hře vzdušného hokeje je pohyb jediného puku, který se neustále odráží od stěn, chaotický. Ale co když spousta těch puků spadne na stůl? Kromě toho, co by se stalo, kdyby puky dodržovaly pravidla kvantové fyziky?

V nedávném článku v časopise Dopisy o fyzickém vyšetřeníTým zkoumal tento problém s vzdušným hokejem v kvantové sféře. Zjistili, že kvantová verze problému (kde puky jsou ve skutečnosti kvantové částice jako atomy nebo elektrony) nebyla ani uspořádaná, ani chaotická, ale trochu obojí, podle běžného způsobu měření chaosu. Jejich teorie byla natolik obecná, aby popsala řadu fyzikálních nastavení, včetně molekul v kontejneru, kvantové vzdušné hokejové hry a elektronů poskakujících v neuspořádaném kovu, jako je měděný drát ve vašem notebooku.

„Vždy jsme si mysleli, že jde o problém, který byl dávno vyřešen v učebnici,“ říká Yunxiang Liao, postdoktor JQI a ​​první autor článku. „Ukázalo se, že jde o obtížnější problém, než jsme si představovali, ale výsledky jsou také zajímavější, než jsme si představovali.“

Jedním z důvodů, proč tento problém zůstává tak dlouho nevyřešený, je to, že obvyklé definice chaosu neplatí, jakmile se do obrazu dostane kvantová mechanika. Klasicky se jako definice často používá motýlí efekt – drobné změny počátečních podmínek, které způsobí drastické změny ve všech oblastech. V kvantové mechanice však pojem počáteční nebo koncová poloha nedává úplný smysl. Princip neurčitosti uvádí, že poloha a rychlost kvantové částice nemohou být přesně známy současně. Trajektorie částice proto není příliš dobře definována, což znemožňuje vidět, jak různé počáteční podmínky vedou k odlišným výsledkům.

Jednou z taktik studia kvantového chaosu je kvantově mechanicky zacházet s něčím klasicky chaotickým, jako je puk poskakující kolem stolu vzdušného hokeje. Klasický chaos by se určitě měl přeložit. A ve skutečnosti ano. Když však použijete více než jeden kvantový puk, věci se stanou méně jasnými.

Klasicky, pokud se puky mohou od sebe odrazit a vyměňovat si energii, nakonec všechny dosáhnou jediné teploty, což odhalí kolektivní pořadí základního chaosu. Pokud se však puky navzájem nezasáhnou a místo toho se smísí jako duchové, jejich energie se nikdy nezmění: horké zůstanou horké, chladné zůstanou chladné a nikdy nedosáhnou stejné teploty. Vzhledem k tomu, že puky neinteragují, nemůže z chaosu vzniknout žádný kolektivní řád.

Tým přinesl tuto hru duchů vzdušného hokeje do říše kvantové mechaniky a očekával stejné chování – chaos pro kvantovou částici, ale ne kolektivní řád, když jich je mnoho. K otestování tohoto odhadu vybrali jeden z nejstarších a nejpoužívanějších (ne-li nejintuitivnějších) testů kvantového chaosu.

Kvantové částice nemohou mít jen žádnou energii, dostupné úrovně jsou „kvantovány“, což v podstatě znamená, že jsou omezeny na určité hodnoty. V 70. letech 20. století fyzici objevili, že pokud se kvantové částice chovaly předvídatelným způsobem, jejich energetické hladiny byly na sobě zcela nezávislé – možné hodnoty neměly v průměru tendenci se koncentrovat ani šířit. Ale když byly kvantové částice chaotické, zdálo se, že energetické úrovně se navzájem vyhýbají a šíří se různými způsoby. Toto odpuzování energetických úrovní je dnes široce používáno jako jedna z definic kvantového chaosu.

Vzhledem k tomu, že jejich hokejové puky neinteragovaly, Liao a její zaměstnanci neočekávali, že se dohodnou na teplotě, což znamenalo, že neuvidí žádný důkaz o základním chaosu s jedním pukem. Mysleli si, že energetické úrovně se o sebe vůbec nestarají.

Nejen, že našli teoretické důkazy o odpuzování určité úrovně, znaku kvantového chaosu, ale také to, že některé úrovně byly shlukovány dohromady, spíše než odpuzovány, nový fenomén, který nedokázali plně vysvětlit. Ukázalo se, že tento klamně jednoduchý problém nebyl ani objednaný, ani chaotický, ale byla to podivná kombinace těch dvou, které dříve nebyly vidět.

Tým dokázal odhalit tento hybrid pomocí inovativního matematického přístupu. „V předchozích numerických studiích mohli vědci zahrnout pouze 20 nebo 30 částic,“ říká Liao. “Nicméně s naším matematickým přístupem z teorie náhodných matic bychom mohli zahrnout asi 500.” S tímto přístupem můžeme také vypočítat chování analýzy pro velmi velký systém. “

Vědci vybaveni tímto matematickým rámcem a vzbudeným zájmem nyní rozšiřují své výpočty tak, aby hokejové puky mohly postupně interagovat. “Naše předběžné výsledky naznačují, že k termalizaci může dojít spontánním narušením reverzibility – minulost se matematicky liší od budoucnosti,” říká Galitski. “Vidíme, že malé poruchy narůstají exponenciálně a ničí všechny zbývající podpisy řádu.” Ale toto je jiný příběh. “

Odkaz: „Statistiky kvantového chaosu mnoha těl na úrovni mnoha těl“ autorů Yunxiang Liao, Amit Vikram a Victor Galitski, 18. prosince 2020, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.125.250601

Vedle Liaa a Galitského byl autorem příspěvku Amit Vikram, student JQI PhD ve fyzice na UMD.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.