"Это действительно старый вопрос, унаследованный от физики конденсированных сред", - сказал Дэвид Уэлд, физик-экспериментатор из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, специализирующийся на ультрахолодной атомной физике и квантовом моделировании. Этот вопрос относится к категории физики "многих тел", которая исследует физические свойства квантовой системы с множеством взаимодействующих частей. В то время как проблемы многих тел были предметом исследований и дебатов на протяжении десятилетий, сложность этих систем с квантовым поведением, таким как суперпозиция и запутанность, приводит к множеству возможностей, что делает невозможным их решение с помощью одних вычислений. "Многие аспекты проблемы находятся за пределами досягаемости современных компьютеров", - добавил Уэлд.

К счастью, эта проблема не вышла за рамки эксперимента, в котором использовались ультрахолодные атомы лития и лазеры. Итак, что возникает, когда вы вводите взаимодействие в неупорядоченную, хаотическую квантовую систему? "Странное квантовое состояние", по словам Уэлда. "Это аномальное состояние со свойствами, которые в некотором смысле лежат между классическим предсказанием и невзаимодействующим квантовым предсказанием".

Результаты физиков опубликованы в журнале Физика природы.

"Происходит что-то странное"

Когда дело доходит до странного, противоречащего интуиции поведения, квантовый мир не разочаровывает. Возьмем, к примеру, обычный маятник, который вел бы себя точно так, как мы ожидали бы от него при воздействии импульсов энергии.

"Если вы время от времени пинаете его и встряхиваете вверх-вниз, классический маятник будет непрерывно поглощать энергию, начнет раскачиваться повсюду и хаотично исследовать все пространство параметров", - сказал Уэлд.

В квантовых системах хаос выглядит иначе. Вместо движения беспорядок может привести частицы к своего рода застою. И в то время как квантовый маятник с толчком или "ротор" может сначала поглощать энергию от ударов - подобно классическому маятнику - при повторных ударах система перестает поглощать энергию, и распределение импульса замирает, в так называемом динамически локализованном состоянии. Эта локализация тесно аналогична поведению "грязного" электронного твердого тела, в котором беспорядок приводит к неподвижным локализованным электронам, в результате чего твердое тело превращается из металла или проводника (движущиеся электроны) в изолятор.

Хотя это состояние локализации десятилетиями изучалось в контексте одиночных невзаимодействующих частиц, что происходит в неупорядоченной системе с множеством взаимодействующих электронов? Подобные вопросы и связанные с ними аспекты квантового хаоса занимали умы Уэлда и его соавтора, теоретика Университета Мэриленда Виктора Галицки, во время дискуссии несколько лет назад, когда Галицки посещал Санта-Барбару.

"Виктор поднял вопрос о том, что произойдет, если вместо этой чистой невзаимодействующей квантовой системы, стабилизированной интерференцией, у вас будет куча таких роторов, и все они могут сталкиваться и взаимодействовать друг с другом", - вспоминает Уэлд. "Сохраняется ли локализация или она разрушается взаимодействиями?"

"Действительно, это очень сложный вопрос, который относится к основам статистической механики и базовому понятию эргодичности, согласно которому большинство взаимодействующих систем в конечном итоге термализуются до универсального состояния", - сказал Галицкий.

Представьте на мгновение, что вы наливаете холодное молоко в горячий кофе. Частицы в вашей чашке со временем и благодаря их взаимодействию придут в однородное равновесное состояние, которое не является ни просто горячим кофе, ни холодным молоком. Такого рода поведение - термализация - ожидалось от всех взаимодействующих систем. То есть примерно до 16 лет назад, когда утверждалось, что беспорядок в квантовой системе, как считалось, приводит к локализации многих тел (MBL).

"Это явление, которое было признано премией Ларса Онзагера ранее в этом году, трудно строго доказать теоретически или установить экспериментально", - сказал Галицкий.

У группы Уэлда были технологии и опыт, чтобы в буквальном смысле пролить свет на ситуацию. В их лаборатории находится газ из 100 000 ультрахолодных атомов лития, взвешенных в стоячей волне света. Каждый атом представляет собой квантовый ротор, который может приводиться в движение лазерными импульсами.

"Мы можем использовать инструмент, называемый резонансом Фешбаха, чтобы скрыть атомы друг от друга, или мы можем заставить их отскакивать друг от друга с помощью сколь угодно сильных взаимодействий", - сказал Уэлд. Одним поворотом ручки исследователи могли заставить атомы лития перейти от линейного танца к мош-яме и зафиксировать их поведение.

Как и ожидалось, когда атомы были невидимы друг для друга, они воспринимали лазерный удар до определенной точки, после чего они перестали двигаться в своем динамически локализованном состоянии, несмотря на повторяющиеся удары. Но когда исследователи усилили взаимодействие, локализованное состояние не только уменьшилось, но и система, казалось, поглощала энергию от повторяющихся ударов, имитируя классическое хаотическое поведение.

Однако, как отметил Уэлд, в то время как взаимодействующая неупорядоченная квантовая система поглощала энергию, она делала это гораздо медленнее, чем классическая система.

"То, что мы видим, - это нечто, что поглощает энергию, но не так хорошо, как это может сделать классическая система", - сказал он. "И кажется, что энергия растет примерно с квадратным корнем из времени, а не линейно со временем. Таким образом, взаимодействия не делают его классическим; это все еще странное квантовое состояние, проявляющее аномальную нелокализацию ".

Проверка на хаос

Команда Уэлда использовала метод, называемый "эхо", в котором кинетическая эволюция выполняется вперед, а затем назад, чтобы непосредственно измерить, каким образом взаимодействия разрушают обратимость времени. Это разрушение обратимости времени является ключевой характеристикой квантового хаоса.

"Другой способ подумать об этом - спросить: сколько памяти о начальном состоянии остается у системы через некоторое время?" сказал соавтор Рошан Саджад, аспирант-исследователь из команды lithium. Он объяснил, что при отсутствии каких-либо возмущений, таких как рассеянный свет или столкновения газов, система должна быть способна вернуться в исходное состояние, если физика выполняется в обратном направлении. "В нашем эксперименте мы обращаем время вспять, меняя фазу ударов, "отменяя" эффекты первого обычного набора ударов", - сказал он. "Отчасти наше восхищение заключалось в том, что разные теории предсказывали разное поведение в результате такого типа взаимодействующей установки, но никто никогда не проводил эксперимент".

"Грубая идея хаоса заключается в том, что, хотя законы движения обратимы во времени, многочастичная система может быть настолько сложной и чувствительной к возмущениям, что практически невозможно вернуться в исходное состояние", - сказал ведущий автор Алек Као. Поворот состоял в том, что в эффективно неупорядоченном (локализованном) состоянии взаимодействия несколько нарушали локализацию, даже когда система теряла способность к обращению времени вспять, объяснил он

"Наивно было бы ожидать, что взаимодействие разрушит процесс обращения времени вспять, но мы увидели кое-что более интересное: небольшое взаимодействие действительно помогает!" Добавил Саджад. "Это был один из самых удивительных результатов этой работы".

Уэлд и Галицки были не единственными, кто стал свидетелем этого нечеткого квантового состояния. Физик из Вашингтонского университета Субхадип Гупта и его команда одновременно провели дополнительный эксперимент, дав аналогичные результаты с использованием более тяжелых атомов в одномерном контексте. Этот результат опубликован наряду с результатами Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Университета Мэриленда в Физика природы.

"Эксперименты в UW проводились в очень сложном физическом режиме с атомами в 25 раз тяжелее, ограниченными для перемещения только в одном измерении, но также измеряли более слабый, чем линейный, рост энергии от периодических ударов, проливая свет на область, где теоретические результаты противоречат друг другу", - сказал Гупта, чья группа сотрудничал с теоретиком Чжуанвэем Чжаном и его командой из Техасского университета в Далласе.

Эти открытия, как и многие важные физические результаты, открывают больше вопросов и прокладывают путь для новых экспериментов с квантовым хаосом, где может быть обнаружена желанная связь между классической и квантовой физикой.

"Эксперимент Дэвида - это первая попытка исследовать динамическую версию MBL в более контролируемых лабораторных условиях", - прокомментировал Галицки. "Хотя это так или иначе не решило однозначно фундаментальный вопрос, данные показывают, что происходит что-то странное".

"Как мы можем понять эти результаты в контексте очень большого объема работ по локализации многих тел в системах с конденсированным веществом?" - спросил Уэлд. "Как мы можем охарактеризовать это состояние материи? Мы наблюдаем, что система делокализуется, но не с ожидаемой линейной зависимостью от времени; что там происходит? Мы с нетерпением ждем будущих экспериментов, исследующих эти и другие вопросы".