Fyzici z Penn State objevili globální interakci v kvantových systémech, když jsou narušeny velkým tokem energie. Pomocí velmi chladných, jednorozměrných plynů byli schopni tuto reakci a následnou fázi známou jako „hydrodynamika“ bedlivě sledovat, což poskytlo model pro pochopení podobných kvantových systémů. Výsledky byly publikovány v časopise Příroda.
Nové experimenty s velmi chladnými atomovými plyny vrhly světlo na to, jak se vyvíjejí všechny interagující kvantové systémy po náhlém přílivu energie.
Nové experimenty využívající jednorozměrné plyny velmi chladných atomů odhalují univerzalitu v tom, jak se kvantové systémy složené z mnoha částic v průběhu času mění poté, co velký příliv energie vyřadí systém z rovnováhy. Tým fyziků z Penn State ukázal, že tyto plyny reagují okamžitě a „vyvíjejí se“ s rysy společnými všem „vícetělovým“ kvantovým systémům, které jsou tímto způsobem vychýleny z rovnováhy. Článek popisující experimenty byl publikován 17. května 2023 v časopise Příroda.
„Mnoho z hlavních vývojů ve fyzice za poslední století se týkalo chování kvantových systémů s mnoha částicemi,“ řekl David Weiss, významný profesor fyziky na Penn State a jeden z vedoucích výzkumného týmu. „Navzdory závratnému množství různých ‚mnohotělových‘ jevů, jako je supravodivost, supratekutost a magnetismus, bylo zjištěno, že jejich chování blízké rovnováze je často natolik podobné, že je lze seskupit do malé skupiny univerzálních kategorií. naproti tomu chování systémů daleko od rovnováhy vedlo k několika takovým jednotným popisům.“
Nové experimenty s extrémně chladnými atomovými plyny odhalují univerzální fyziku v dynamice kvantových systémů. Postgraduální studentka Penn State Yuan Li, první autorka článku popisujícího experimenty, stojí poblíž zařízení, které použila k vytvoření a studiu jednorozměrných plynů blízkých absolutní nule. Kredit: David Weiss, Penn State
Weiss vysvětlil, že tyto vícetělové kvantové systémy jsou soubory částic, jako jsou atomy, které se mohou vzájemně volně pohybovat. Když jsou směsí dostatečně husté a chladné, což se může lišit v závislosti na kontextu, je k popisu jejich dynamiky vyžadována kvantová mechanika – základní teorie, která popisuje vlastnosti přírody v atomárním nebo subatomárním měřítku.
Masivně nerovnovážné systémy se běžně vytvářejí v urychlovačích částic, když se dvojice těžkých iontů srazí rychlostí blížící se rychlosti světla. Výsledkem kolize je a[{“ attribute=““>plasma—composed of the subatomic particles “quarks” and “gluons”—that emerges very early in the collision and can be described by a hydrodynamic theory—similar to the classical theory used to describe airflow or other moving fluids—well before the plasma reaches local thermal equilibrium. But what happens in the astonishingly short time before hydrodynamic theory can be used?
“The physical process that occurs before hydrodynamics can be used has been called ‘hydrodynamization,” said Marcos Rigol, professor of physics at Penn State and another leader of the research team. “Many theories have been developed to try to understand hydrodynamization in these collisions, but the situation is quite complicated and it is not possible to actually observe it as it happens in the particle accelerator experiments. Using cold atoms, we can observe what is happening during hydrodynamization.”
The Penn State researchers took advantage of two special features of one-dimensional gases, which are trapped and cooled to near absolute zero by lasers, in order to understand the evolution of the system after it is thrown of out of equilibrium, but before hydrodynamics can be applied. The first feature is experimental. Interactions in the experiment can be suddenly turned off at any point following the influx of energy, so the evolution of the system can be directly observed and measured. Specifically, they observed the time-evolution of one-dimensional momentum distributions after the sudden quench in energy.
“Ultra-cold atoms in traps made from lasers allow for such exquisite control and measurement that they can really shed light on many-body physics,” said Weiss. “It is amazing that the same basic physics that characterize relativistic heavy ion collisions, some of the most energetic collisions ever made in a lab, also show up in the much less energetic collisions we make in our lab.”
The second feature is theoretical. A collection of particles that interact with each other in a complicated way can be described as a collection of “quasiparticles” whose mutual interactions are much simpler. Unlike in most systems, the quasiparticle description of one-dimensional gases is mathematically exact. It allows for a very clear description of why energy is rapidly redistributed across the system after it is thrown out of equilibrium.
“Known laws of physics, including conservation laws, in these one-dimensional gases imply that a hydrodynamic description will be accurate once this initial evolution plays out,” said Rigol. “The experiment shows that this occurs before local equilibrium is reached. The experiment and theory together, therefore, provide a model example of hydrodynamization. Since hydrodynamization happens so fast, the underlying understanding in terms of quasi-particles can be applied to any many-body quantum system to which a very large amount of energy is added.”
Reference: “Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases” by Yuan Le, Yicheng Zhang, Sarang Gopalakrishnan, Marcos Rigol and David S. Weiss, 17 May 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9
In addition to Weiss and Rigol, the research team at Penn State includes Yuan Le, Yicheng Zhang, and Sarang Gopalakrishnan. The research was funded by the U.S. National Science Foundation. Computations were carried out at the Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
„Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč.“
