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《科學(xué)》重磅:首次觀測(cè)到多體動(dòng)力學(xué)局域化現(xiàn)象

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在量子力學(xué)的迷宮世界中,一個(gè)基本問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著物理學(xué)家:孤立的、相互作用的量子系統(tǒng)如何隨時(shí)間演化?主流觀點(diǎn)植根于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的原理,認(rèn)為這樣的系統(tǒng)不可避免地會(huì)“熱化”,這意味著它們會(huì)將能量和信息分散到所有組成部分,直到達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。然而,一類(lèi)被稱(chēng)為局域化的革命性現(xiàn)象挑戰(zhàn)了這一觀念,表明在某些條件下,量子系統(tǒng)可以反其道而行之。其中最引人入勝的是多體動(dòng)力學(xué)局域化(MBDL),它的實(shí)驗(yàn)觀察代表了我們理解非平衡量子動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要里程碑。

從安德森到多體局域化

要理解 MBDL 的重要性,首先必須了解其概念上的先驅(qū)。這段旅程始于菲利普·安德森(Philip Anderson)在1958年的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn):安德森局域化。安德森證明,在一個(gè)無(wú)序的、非相互作用的量子系統(tǒng)中,粒子的波函數(shù)可以被空間“局域化”,即被限制在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)而無(wú)法擴(kuò)散。這種現(xiàn)象有效地將導(dǎo)體變成了絕緣體,其結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)中認(rèn)為無(wú)序會(huì)增加電阻的觀點(diǎn)形成鮮明對(duì)比。

接下來(lái)的一個(gè)邏輯步驟是考慮當(dāng)無(wú)序系統(tǒng)中的粒子被允許相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生什么。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,這些相互作用會(huì)充當(dāng)一個(gè)“熱浴”,攪亂局域化狀態(tài)并恢復(fù)遍歷性——即系統(tǒng)探索所有可能狀態(tài)的能力。這本質(zhì)上會(huì)破壞脆弱的局域化狀態(tài),導(dǎo)致熱化。幾十年來(lái),這種觀點(diǎn)一直占據(jù)主導(dǎo)地位,由此產(chǎn)生了熱態(tài)的完美有序是大多數(shù)復(fù)雜量子系統(tǒng)默認(rèn)歸宿的觀念。

然而,隨著對(duì)多體局域化(MBL)的理論預(yù)測(cè),一種新的范式出現(xiàn)了。MBL 認(rèn)為,一個(gè)同時(shí)具有強(qiáng)無(wú)序和粒子相互作用的系統(tǒng)仍然可以不發(fā)生熱化。相反,它進(jìn)入一個(gè)非遍歷相,在那里它無(wú)限期地保留其初始條件的記憶。與作為單粒子效應(yīng)的安德森局域化不同,MBL 本質(zhì)上是一種多體現(xiàn)象,是一種挑戰(zhàn)量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)的新的動(dòng)力學(xué)相態(tài)。

踢轉(zhuǎn)子和動(dòng)力學(xué)局域化

雖然 MBL 主要關(guān)注靜態(tài)無(wú)序,但另一條研究線索探索了時(shí)間相關(guān)力的作用。這促使了對(duì)量子踢轉(zhuǎn)子的研究,這是一個(gè)用于研究從經(jīng)典混沌到量子有序轉(zhuǎn)變的典范模型。在其經(jīng)典形式中,一個(gè)周期性地受到“踢”的轉(zhuǎn)子會(huì)表現(xiàn)出混沌行為,其能量和角動(dòng)量會(huì)無(wú)限制地增加。然而,當(dāng)系統(tǒng)被量子化時(shí),一種被稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)局域化的非凡效應(yīng)發(fā)生了。由于量子干涉,轉(zhuǎn)子的能量和動(dòng)量在有限次數(shù)的踢后停止擴(kuò)散,并在動(dòng)量空間中“局域化”。這種現(xiàn)象是安德森局域化在動(dòng)力學(xué)上的直接類(lèi)比。

那么問(wèn)題就變成了:如果踢轉(zhuǎn)子不是單個(gè)粒子,而是一個(gè)具有粒子間相互作用的多體系統(tǒng)呢?大多數(shù)理論都認(rèn)為,這些相互作用會(huì)打破動(dòng)力學(xué)局域化,就像它們被認(rèn)為會(huì)破壞靜態(tài) MBL 一樣。系統(tǒng)將再次恢復(fù)其經(jīng)典、混沌和熱化的行為。

突破性實(shí)驗(yàn)

這就是發(fā)表在《科學(xué)》上題為《多體動(dòng)力學(xué)局域化觀測(cè)》的突破性論文發(fā)揮作用的地方。研究人員著手通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多體量子踢轉(zhuǎn)子來(lái)驗(yàn)證這一長(zhǎng)期存在的假設(shè)。他們使用了一個(gè)由量子簡(jiǎn)并玻色原子組成的系統(tǒng),將其限制在一維幾何結(jié)構(gòu)中,并用一系列周期性的激光脈沖對(duì)其進(jìn)行“踢”動(dòng)。這些原子作為玻色子,自然具有很強(qiáng)的粒子間相互作用,這使得它們成為研究相互作用和局域化相互作用的理想系統(tǒng)。



實(shí)驗(yàn)結(jié)果是驚人的。與理論預(yù)測(cè)相反,研究人員觀察到,原子動(dòng)量分布在經(jīng)歷了一段時(shí)間的擴(kuò)展后,停止了擴(kuò)散。即使在強(qiáng)相互作用存在的情況下,系統(tǒng)實(shí)際上也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)局域化。該實(shí)驗(yàn)提供了令人信服的證據(jù),證明多體動(dòng)力學(xué)局域化是一種穩(wěn)健且可觀察的現(xiàn)象。它表明,相互作用并非總是不可避免地導(dǎo)致熱化,而是可以與局域化共存,從而創(chuàng)造出一種獨(dú)特的非平衡態(tài)物質(zhì)。

更廣泛的影響

MBDL 的觀察不僅僅是對(duì)一種新物理現(xiàn)象的證實(shí);它重塑了我們對(duì)支配量子系統(tǒng)的基本原理的理解。它為我們理解經(jīng)典、混沌世界和有序量子世界之間的界限提供了新的視角。研究結(jié)果表明,熱化并非所有孤立量子系統(tǒng)的必然結(jié)果。相反,量子物質(zhì)的世界可能充滿(mǎn)了各種各樣的非遍歷相態(tài),這些相態(tài)挑戰(zhàn)了熱力學(xué)定律。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)從凝聚態(tài)物理到量子信息科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。了解如何保護(hù)量子系統(tǒng)免受熱化對(duì)于構(gòu)建強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和其他量子技術(shù)至關(guān)重要?刂坪筒倏v局域化狀態(tài)的能力可能為具有新特性的新設(shè)備和材料鋪平道路。MBDL 的研究為探索非平衡物理學(xué)開(kāi)辟了新領(lǐng)域,在這個(gè)領(lǐng)域中,物質(zhì)的傳統(tǒng)規(guī)則不再適用,新的、令人興奮的行為等待著被發(fā)現(xiàn)。

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