科学探索|“一些奇怪的事情正在发生”--物理学家回答了一个数十年前的问题 “一些奇怪的事情正在发生”

来自加州大学圣巴巴拉分校、马里兰大学和华盛顿大学的物理学家已经解决了一个长期存在的物理学难题：粒子间的相互作用是如何影响动态定位的？加州大学洛杉矶分校实验物理学家David Weld说道：“这是一个从凝聚态物理学继承下来的真正的老问题，他的专长是超冷原子物理和量子模拟。”
一种不同类型的混沌
这个问题属于 “多体”物理学的范畴，它审视了具有多个相互作用部分的量子系统的物理特性。虽然多体问题几十年来一直是一个研究和辩论的问题，但这些系统的复杂性如叠加和纠缠等量子行为引发了众多的可能性，这使它不可能仅仅通过计算来解决。“这个问题的许多方面都是现代计算机无法解决的，”Weld补充道。

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幸运的是，这个问题并没有超出使用超冷锂原子和激光器的实验的范围。那么当交互作用被引入一个无序、混乱的量子系统时会发生什么？
Weld表示，这是一种“奇怪的量子状态，一种反常的状态，其属性在某种意义上介于经典预测和非相互作用的量子预测之间。”
物理学家们的发现最近发表在《Nature Physics》上。
“一些奇怪的事情正在发生”
当涉及到奇怪的、反直觉的行为时，量子领域并没有让人失望。考虑一个正常的钟摆，它的行为跟我们预期的受到能量脉冲的影响完全一样。
Weld说道：“如果你每隔一段时间就踢它并上下摇晃它，一个经典的钟摆就会不断地吸收能量，开始到处摇摆，并混乱地探索整个参数空间。”
混沌在量子系统中出现的方式不同。无序不是运动，而是可能使粒子陷入某种停滞状态。并且跟经典钟摆不同，一个被踢的量子钟摆或“转子”最初可能从踢中吸收能量，但在反复踢之后，系统停止吸收能量，动量分布冻结，即处于所谓的动态局部状态。这种局部化类似于“脏”电子固体的行为，其中无序的结果是不动的、局部的电子，这导致固体从金属或导体（移动电子）变为绝缘体。
虽然这种定位状态在单一的、不相互作用的粒子环境中已经研究了几十年，但当一个无序的系统包含多个相互作用的电子时会发生什么？像这样的问题以及量子混沌的相关方面，在几年前加利茨基访问圣巴巴拉时的一次讨论中，Weld和他的合著者马里兰大学的理论家Victor Galitski想到了。
“Victor提出的问题是，如果你有一群这样的转子，而且它们都可以相互碰撞和相互作用，而不是这种通过干涉来稳定的纯粹的非相互作用的量子系统会发生什么？定位是否持续存在，还是被相互作用所破坏？”Weld说道。
【科学探索|“一些奇怪的事情正在发生”--物理学家回答了一个数十年前的问题】“的确，这是一个非常困难的问题，它跟统计力学的基础和遍历性的基本概念有关，据此，大多数相互作用的系统最终会热化为一个普遍的状态，”Galitski说道。
想象一下，将冷牛奶倒入热咖啡中。你杯子里的粒子会随着时间的推移通过它们的相互作用将自己排列成一个统一的平衡状态。这种类型的行为--热化--是所有相互作用系统的预期。也就是说，直到大约16年前，有人认为量子系统中的无序状态被认为会导致多体定位(MBL) 。
Galitski说道：“这种现象在今年早些时候得到了Lars Onsager奖的认可，但很难在理论上严格证明或在实验上确立。”
Weld的小组拥有技术和专业知识，其可以从字面上阐明这一情况。在他们的实验室里，有一个由10万个超冷的锂原子组成的气体悬浮在一个光的驻波中。每个原子代表一个量子转子，其可以被激光脉冲踢开。