订单和混乱的弗兰肯斯坦:研究人员发现一个混合量子系统

量子混沌概念

JQI的研究人员发现了一种混合有序和混沌的量子系统。

通常,“混乱”这个词唤起了缺乏秩序:忙碌的一天,少年卧室,税收季节。并且对混乱的身体理解并不遥远。这是一种极难预测,就像天气一样。混乱允许一个小的衬布(蝴蝶翼的颤动)成长为大后(世界各地的台风),这解释了为什么天气预报超过几天的未来可能是不可靠的。不断弹跳的个体空气分子也是混乱 - 它几乎不可能识别任何单一分子在任何特定时刻的情况下。

现在,你可能想知道为什么会有人关心单个空气分子的精确位置。但是你可能会关心一大堆分子共有的一个属性,比如它们的温度。也许不是凭直觉,是分子的混乱性质让它们填满一个房间并达到单一温度。个人的混乱最终导致了集体的秩序。

能够使用单个数字(温度)来描述一堆颗粒在一些疯狂的疯狂,不可预测的方式非常方便,但并不总是发生。因此,JQI的理论物理学家团队旨在了解此描述何时适用。

“我们雄心勃勃的目标是了解混沌和大多数物理系统达到热平衡的普遍趋势是如何从物理的基本定律中产生的,”JQI的研究员Victor Galitski说,他也是马里兰大学(UMD)的物理学教授。

作为迈向这种雄心勃勃的目标的第一步,加利西斯基和两个同事们已经开始了解当许多粒子时会发生什么,每个颗粒都是混乱的,聚在一起。例如,单个冰球在空气曲棍球比赛中的运动,不间断地从墙壁中弹跳,是混乱的。但是当大量这些冰球放到桌子上时会发生什么?而且,如果冰球遵守量子物理学规则,会发生什么?

在最近在期刊发布的论文中物理评论信该团队在量子领域研究了这个空气曲棍球问题。他们发现,这个问题的量子版本(即冰球是像原子或电子一样的量子粒子)既不是有序的,也不是混沌的,而是两者兼得,这是一种测量混沌的常用方法。他们的理论非常普遍,足以描述一系列物理环境,包括容器中的分子,量子空气曲棍球游戏,电子在无序的金属中跳跃,比如笔记本电脑中的铜线。

“我们一直认为这是一个很久以前就在某些教科书中解决的问题,”JQI博士后廖云祥(音)说,他是这篇论文的第一作者。“事实证明,这是一个比我们想象的更困难的问题,但结果也比我们想象的更有趣。”

此问题的一个原因仍然是未解决的,只要量子力学进入图片,混乱的通常定义不适用。经典上,蝴蝶效应 - 微小的变化在初始条件下会导致线路的急剧变化 - 通常用作定义。但在量子力学中,初始或最终位置的概念并不意义。不确定性原则表示,量子粒子的位置和速度不能同时恰当地知道。因此,粒子的轨迹没有明确良好,使得不可能跟踪不同的初始条件如何导致不同的结果。

研究量子混沌的一种策略是把一些经典的混沌,比如一个冰球在桌上弹跳,用量子力学的方法来对待它。当然,这种经典的混乱应该被重新诠释。的确如此。但是当你放入一个以上的量子球时,事情就变得不那么清楚了。

通常情况下,如果冰球能相互反弹,交换能量,它们最终都会达到一个温度,暴露潜在混乱的集体秩序。但如果冰球不相互碰撞,而是像幽灵一样穿过对方,它们的能量就永远不会改变:热的会保持热,冷的会保持冷,它们永远不会达到相同的温度。由于冰球不相互作用,集体秩序无法从混乱中出现。

该团队将这款《幽灵冰球》游戏带入量子力学领域,期待着同样的行为——一个量子粒子会出现混乱,但当有许多量子粒子时却不会出现集体秩序。为了验证这个猜想,他们选择了一种最古老、使用最广泛(尽管不是最直观的)的量子混沌测试。

量子粒子不能只有任何能量,可用的能级是“量子化的”,这基本上意味着它们被限制在特定的值内。早在20世纪70年代,物理学家就发现,如果量子粒子以可预测的方式运动,它们的能级就完全独立于彼此——平均而言,可能的值不会聚集或分散。但如果量子粒子是混沌的,能级似乎会避免彼此,以独特的方式扩散。这种能级斥力现在经常被用作量子混沌的定义之一。

由于他们的冰球没有相互作用,廖和她的合作者并不期望他们在温度上达成一致,这意味着他们不会看到任何潜在的单冰球混乱的迹象。他们认为,能量水平根本不会关心彼此。

他们不仅找到了一些水平排斥的理论证据,Quantum混乱的标志,而且他们还发现一些水平倾向于束缚而不是排斥,这是他们无法解释的新的现象。这种愚蠢的简单问题既不是有序也不是混乱,而是两者之后的一些奇怪的组合尚未见过。

该团队通过创新的数学方法发现了这种混合。“在以前的数值研究中,研究人员只能包括20或30个粒子,”廖说。“但使用随机矩阵理论的数学方法,我们可以包括500个左右。这种方法也允许我们计算一个非常大的系统的分析行为。”

有了这个数学框架,怀着浓厚的兴趣,研究人员现在正在扩展他们的计算,逐步让冰球一点一点地相互作用。“我们的初步结果表明,热化可能通过可逆性的自发打破而发生——过去在数学上与未来截然不同,”Galitski说。“我们看到,微小的干扰被指数级放大,并破坏了所有剩余的秩序特征。但这是另一个故事。”

参考文献:《单粒子量子混沌的多体级统计》作者:廖云祥,Amit Vikram和Victor Galitski, 2020年12月18日物理评论信
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.250601

除了廖和加拉斯基,Amit Vikram,在UMD的物理学中的JQI研究生之外,这是本文的作者。

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