多体局部系统中量子雪崩的实验观察

发布时间：2023-03-17 19:56:42 栏目：生活

导读 强相关系统是由彼此强烈相互作用的粒子组成的系统，在某种程度上，它们的个体行为取决于系统中所有其他粒子的行为。在远离平衡的状态中，这

强相关系统是由彼此强烈相互作用的粒子组成的系统，在某种程度上，它们的个体行为取决于系统中所有其他粒子的行为。在远离平衡的状态中，这些系统有时会产生令人着迷和意想不到的物理现象，例如多体定位。



当由相互作用粒子组成的系统即使在高温下也无法达到热平衡时，就会发生多体定位。因此，在多体局部系统中，粒子长时间保持非平衡状态，即使大量能量流过它们。

理论预测表明，多体局部相的不稳定性是由充当浴池的强相互作用系统中的小热夹杂物引起的。这些内含物通过一种称为雪崩传播的机制促使整个系统的离域。

哈佛大学Markus Greiner小组的研究人员最近进行了一项研究，探索了这种迷人但迄今为止实验难以捉摸的机制。他们的研究发表在《自然物理学》上，首次对多体局部系统中量子雪崩的发生进行了实验观察。

“粒子是否保持无序电位的局限，或者它们是否扩散，是一个长期存在的问题，几十年来一直困扰着物理学家，”进行这项研究的研究人员之一Julian Léonard告诉 Phys.org。“这个问题很重要，因为在材料中，定位与电子传输有关，因此了解粒子定位的条件将告诉我们为什么某些材料是绝缘体或导体。

粒子的定位是一种量子力学效应，因为它依赖于电子的波动性质和纠缠机制(即，粒子(在这种情况下是电子)变得高度相关的量子力学过程)。更好地了解本地化是物理学界的一个关键目标，因为它可以为研究和技术开发提供大量信息。

首先，完美定位是一个有趣的研究课题，因为它与热力学相矛盾，热力学是最著名和最成熟的物理理论之一。其次，具有完美定位粒子的系统将能够将量子信息存储更长时间，因此了解其潜在机制可以推动量子技术的发展，特别是量子记忆。

“这些所谓的量子记忆对于量子计算和通信协议是必要的，”Léonard说。“包括我们在内的几个研究小组以前已经看到相互作用的粒子确实可以定位，并且已经广泛地认为这种定位应该无限期地盛行。然而，最近定位的稳健性一直在争论，特别是如果疾病在系统中的某个地方稍弱一点会发生什么。这足以破坏本地化吗?

Léonard和他的同事最近研究的主要目标是仔细研究本地化及其稳健性。过去的理论计算预测，本地化可能会在一个复杂而迷人的场景中被破坏。

具体来说，理论家预测，在适当的条件下，弱无序区域中的粒子可以迅速向系统的强无序部分移动，使其离域。这种现象被称为量子雪崩，因为它可以看作是一波局部粒子向这个离域区域移动，迅速加速和离域整个系统，类似于雪崩。

“对我们来说，挑战是在实验室中通过实验实现这样一个系统，”Léonard说。“为了做到这一点，我们将冷原子放置在由精确形状的激光束构建的电位中。一部分潜力是无序的，另一部分是没有无序的。然后，我们等待这两个区域如何随着时间的推移相互作用，并测量粒子会扩散多远。对于冷原子，这可以通过用光学显微镜观察它们来完成。

有趣的是，Léonard和他的同事发现，最初他们系统中无序部分的粒子会局部化。然而，渐渐地，来自非无序区域的粒子开始以越来越快的速度扩散到无序区域，正如理论预测所表明的那样。

这些观察表明，他们首次在实验环境中成功地探测了量子雪崩的开始。值得注意的是，这可能意味着本地化并不像以前认为的那样强大，并且可能不会持续很长时间。这些有趣的发现可能很快激发新的实验，旨在进一步探测量子雪崩并评估强相互作用多体系统中定位的鲁棒性。

“我们的实验标志着量子雪崩的发现，但它们只是探索其特性的开始，”Léonard补充道。“许多问题仍然悬而未决，特别是在什么条件下发生这些雪崩，它们出现的频率，以及是否有办法阻止它们的传播。这些因素将最终决定本地化是总是不稳定的，还是只是在某些条件下。我们目前正在努力实现具有更多原子的系统，在那里可以更详细地研究这些问题。