Cercetătorii descoperă un sistem cuantic hibrid

Cercetătorii JQI au descoperit un sistem cuantic care este un hibrid de ordine și haos.

De obicei, cuvântul „haos” evocă tulburarea: o zi agitată, dormitorul unui adolescent, sezonul fiscal. Și înțelegerea fizică a haosului nu este departe. Este ceva extrem de dificil de prezis, cum ar fi vremea. Haosul permite ca o mică apăsare (fluturarea unei aripi de fluture) să devină o mare consecință (un taifun în mijlocul lumii), ceea ce explică de ce vremea prognoza mai mult de câteva zile pentru viitor pot fi de încredere. Moleculele individuale de aer, care sar constant, sunt de asemenea haotice; este aproape imposibil să se determine unde ar putea fi o singură moleculă la un moment dat.

Acum s-ar putea să vă întrebați de ce nimănui nu i-ar păsa locația exactă a unei singure molecule de aer. Dar s-ar putea să vă intereseze o proprietate împărtășită de o mulțime de molecule, cum ar fi temperatura acesteia. Poate neintenționat, natura haotică a moleculelor este cea care le permite să umple o cameră și să atingă o temperatură unică. Haosul individual dă naștere în cele din urmă unei ordine colective.

A fi capabil de a utiliza un singur număr (temperatura) pentru a descrie o grămadă de particule care ricoșează într-un mod nebun, imprevizibil este extrem de convenabil, dar nu se întâmplă întotdeauna. Prin urmare, o echipă de fizicieni teoretici JQI și-a propus să înțeleagă când se aplică această descriere.

„Scopul ambițios aici este de a înțelege cum haosul și tendința universală a majorității sistemelor fizice de a atinge echilibrul termic apar din legile fundamentale ale fizicii”, spune colegul JQI Victor Galitski, care este și profesor. de fizică la Universitatea din Maryland (UMD). ).

Ca prim pas către acest obiectiv ambițios, Galitski și doi colegi și-au propus să înțeleagă ce se întâmplă atunci când se unesc multe particule, fiecare dintre ele fiind haotică. De exemplu, mișcarea unui singur puc într-un joc de hochei cu aer, care sări neîntrerupt prin pereți, este haotică. Dar ce se întâmplă când multe dintre aceste înregistrări sunt lansate pe masă? Și, în plus, ce s-ar întâmpla dacă discurile ar respecta regulile fizicii cuantice?

Într-un articol recent din jurnal Scrisori de recenzie fizică, echipa a studiat această problemă a hocheiului cu aer în domeniul cuantic. Au descoperit că versiunea cuantică a problemei (unde discurile sunt de fapt particule cuantice precum atomii sau electronii) nu era nici ordonată, nici haotică, ci un pic din ambele, conform unui mod comun de măsurare a haosului. Teoria sa a fost suficient de generală pentru a descrie o serie de parametri fizici, inclusiv molecule într-un container, un joc de hochei cuantic cu aer și electroni care sărind de pe un metal aglomerat, cum ar fi firul de cupru al laptopului.

„Întotdeauna am crezut că este o problemă care a fost rezolvată cu mult timp în urmă în unele manuale”, spune Yunxiang Liao, coleg postdoctoral la JQI și primul autor al lucrării. “Se pare că este o problemă mai grea decât ne-am imaginat, dar rezultatele sunt, de asemenea, mai interesante decât ne-am imaginat.”

Unul dintre motivele pentru care această problemă a rămas nerezolvată atât de mult timp este că, odată ce mecanica cuantică intră în joc, definițiile obișnuite ale haosului nu se aplică. Clasic, efectul fluture (mici modificări în condițiile inițiale care determină modificări drastice ale liniei) este adesea folosit ca definiție. Dar în mecanica cuantică, însăși noțiunea de poziție inițială sau finală nu are prea mult sens. Principiul incertitudinii spune că poziția și viteza unei particule cuantice nu pot fi cunoscute cu precizie în același timp. Prin urmare, traiectoria particulei nu este foarte bine definită, ceea ce face imposibilă trasarea modului în care diferitele condiții inițiale conduc la rezultate diferite.

O tactică pentru a studia haosul cuantic este să ia ceva haotic clasic, cum ar fi un puck care sări în jurul unei mese de hochei cu aer și să-l tratezi mecanic. Cu siguranță, haosul clasic ar trebui tradus. Și, de fapt, da. Dar când puneți mai mult de un disc cuantic, lucrurile devin mai puțin clare.

Clasic, dacă discurile pot sări reciproc, schimbând energie, ele vor ajunge în cele din urmă la o singură temperatură, expunând ordinea colectivă a haosului subiacent. Dar dacă discurile nu se ciocnesc între ele și, în schimb, trec ca niște fantome, energiile lor nu se vor schimba niciodată: cele fierbinți vor rămâne fierbinți, cele reci vor rămâne reci și nu vor atinge niciodată aceeași temperatură. Deoarece discurile nu interacționează, ordinea colectivă nu poate ieși din haos.

Echipa a adus acest joc fantomatic de hochei cu aer în tărâmul mecanicii cuantice, așteptând același comportament: haos pentru o particulă cuantică, dar fără ordine colectivă atunci când există multe. Pentru a testa acest presimțire, au ales unul dintre cele mai vechi și mai utilizate teste ale haosului cuantic (deși nu cel mai intuitiv).

Nu numai că particulele cuantice pot avea energie, nivelurile disponibile sunt „cuantificate”, ceea ce înseamnă practic că sunt limitate la valori particulare. În anii 1970, fizicienii au descoperit că, dacă particulele cuantice se comportau previzibil, nivelurile lor de energie erau complet independente una de cealaltă; valorile posibile nu tind să se grupeze sau să se extindă, în medie. Dar dacă particulele cuantice erau haotice, nivelurile de energie păreau să se evite unul pe altul, răspândindu-se în moduri distincte. Această respingere a nivelului de energie este acum adesea folosită ca una dintre definițiile haosului cuantic.

Deoarece pucul lor de hochei nu a interacționat, Liao și colaboratorii săi nu se așteptau ca aceștia să fie de acord cu privire la temperatură, adică nu vor vedea nicio indicație a haosului subiacent al unui singur puc. Au crezut că nivelurile de energie nu vor conta deloc pentru ei.

Nu numai că au găsit dovezi teoretice ale unei anumite respingeri de nivel, o caracteristică a haosului cuantic, dar au constatat, de asemenea, că unele dintre niveluri tindeau să se grupeze, mai degrabă decât să se respingă, un fenomen nou pe care nu l-au putut termina. ‘explica. Această problemă înșelătoare de simplă nu s-a dovedit a fi nici ordonată și nici haotică, ci o combinație curioasă a celor două care nu mai fuseseră văzute înainte.

Echipa a reușit să descopere acest hibrid folosind o abordare matematică inovatoare. „În studiile numerice anterioare, cercetătorii au putut să includă doar 20 sau 30 de particule”, spune Liao. “Dar folosind abordarea noastră matematică din teoria matricilor aleatorii, am putea include aproximativ 500 și această abordare ne permite, de asemenea, să calculăm comportamentul analitic al unui sistem foarte mare.”

Înarmați cu acest cadru matematic și cu un interes deosebit, cercetătorii își extind acum calculele pentru a permite discurilor de hochei să interacționeze lent. „Rezultatele noastre preliminare indică faptul că termalizarea poate avea loc printr-o ruptură spontană a reversibilității: trecutul se distinge matematic de viitor”, spune Galitski. „Vedem că mici perturbații se extind exponențial și distrug toate semnăturile de ordine rămase. Dar asta este o altă poveste “.

Referință: „Statistici la nivel multicorp al haosului cuantic cu particule unice” de Yunxiang Liao, Amit Vikram și Victor Galitski, 18 decembrie 2020, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.250601

Pe lângă Liao și Galitski, Amit Vikram, un student absolvent în fizica UMD, a fost autorul lucrării.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ingineria interfeței limită între materialele 2D și 3D

din David L. Chandler, Institutul de Tehnologie din Massachusetts 2 martie 2021 Aceste imagini ale „insulelor” atomilor de aur depuse într-un strat bidimensional de sulfură de...

Cipul microfluidic simplifică testarea COVID-19, oferă rezultate pe un telefon în 55 de minute sau mai puțin

Nanobeads programate sunt asociate cu un telefon mobil exterior și instrumentul de diagnosticare plug-in poate diagnostica COVID-19 în 55 de minute sau mai puțin,...

O mușcătură puternică, mortală, foarte rapidă a unei furnici Trap-maxilar

Micile schimbări de formă pot duce la inovații în funcție, arată un nou studiu. Cercetătorii au dezvăluit modul în care o capcană de furnici -...

Recenziile școlare parentale sunt legate de indicatorii demografici și rezultatele testelor, nu de performanța școlară

Comentariile părinților au reflectat diferențele dintre rasă și venituri în școlile publice de K-12. Prima analiză a comentariilor părinților despre școlile publice din K-12 din...

Un aisberg masiv – de 10 ori mai mare decât San Francisco – rupe raftul principal de gheață din Antarctica

Noile imagini radar captate de misiunea Copernicus Sentinel-1 arată o aisberg de 1.270 km² care se relaxează și se îndepărtează rapid de raftul de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.