Eine andere Art von Chaos

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Physiker der UC Santa Barbara und der University of Maryland sowie der University of Washington haben eine Antwort auf die langjährige physikalische Frage gefunden: Wie beeinflussen Wechselwirkungen zwischen Teilchen die dynamische Lokalisierung?

„Das ist eine wirklich alte Frage, die aus der Physik der kondensierten Materie stammt“, sagte er David Schweiß, ein Experimentalphysiker an der UCSB mit Spezialisierung auf ultrakalte Atomphysik und Quantensimulation. Die Frage fällt in die Kategorie der „Vielkörper“-Physik, die die physikalischen Eigenschaften eines Quantensystems mit mehreren interagierenden Teilen abfragt. Während Vielteilchenprobleme seit Jahrzehnten Gegenstand von Forschung und Diskussion sind, führt die Komplexität dieser Systeme mit Quantenverhalten wie Überlagerung und Verschränkung zu einer Vielzahl von Möglichkeiten, die eine Lösung durch Berechnung allein unmöglich machen. „Viele Aspekte des Problems liegen außerhalb der Reichweite moderner Computer“, fügte Weld hinzu.

Glücklicherweise war dieses Problem nicht außerhalb der Reichweite eines Experiments, das ultrakalte Lithiumatome und Laser beinhaltet. Was entsteht also, wenn man Wechselwirkung in ein ungeordnetes, chaotisches Quantensystem einführt?

Ein „seltsamer Quantenzustand“, so Weld. „Es ist ein anomaler Zustand mit Eigenschaften, die in gewissem Sinne zwischen der klassischen Vorhersage und der wechselwirkungsfreien Quantenvorhersage liegen.“

Die Ergebnisse der Physiker werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

„Anomale Nicht-Lokalisierung“
Wenn es um seltsames, kontraintuitives Verhalten geht, enttäuscht die Quantenwelt nicht. Nehmen Sie zum Beispiel ein normales Pendel, das sich genau so verhält, wie wir es erwarten würden, wenn es Energieimpulsen ausgesetzt wird.

„Wenn Sie es hin und wieder auf und ab schütteln, absorbiert ein klassisches Pendel kontinuierlich Energie, beginnt überall zu wackeln und erkundet chaotisch den gesamten Parameterraum“, sagte Weld.

In Quantensystemen sieht Chaos anders aus. Anstelle von Bewegung kann Unordnung Teilchen zu einer Art Stillstand bringen. Und während ein getretenes Quantenpendel oder „Rotor“ zunächst Energie von den Tritten absorbiert – ähnlich wie ein klassisches Pendel – mit wiederholten Tritten, hört das System auf, Energie zu absorbieren, und die Impulsverteilung friert ein, was als dynamisch lokalisierter Zustand bekannt ist. Diese Lokalisierung ist dem Verhalten eines “schmutzigen” elektronischen Festkörpers sehr ähnlich, bei dem eine Unordnung zu unbeweglichen, lokalisierten Elektronen führt, wodurch der Festkörper von einem Metall oder einem Leiter (bewegte Elektronen) zu einem Isolator wird.

Während dieser Lokalisierungszustand jahrzehntelang im Zusammenhang mit einzelnen, nicht wechselwirkenden Teilchen erforscht wurde, was passiert in einem ungeordneten System mit mehreren wechselwirkenden Elektronen? Fragen wie diese und verwandte Aspekte des Quantenchaos beschäftigten Weld und seinen Co-Autor, den Theoretiker Victor Galitski von der University of Maryland, während einer Diskussion vor einigen Jahren, als Galitski Santa Barbara besuchte.

„Was Victor aufgeworfen hat, war die Frage, was passiert, wenn man anstelle dieses reinen, nicht wechselwirkenden Quantensystems, das durch Interferenz stabilisiert wird, einen Haufen dieser Rotoren hat und sie alle zusammenstoßen und miteinander interagieren können“, erinnerte sich Weld. „Bleibt die Lokalisierung bestehen oder wird sie durch die Wechselwirkungen zerstört?“

„In der Tat ist es eine sehr schwierige Frage, die sich auf die Grundlagen der statistischen Mechanik und den Grundbegriff der Ergodizität bezieht, wobei die meisten interagierenden Systeme schließlich in einen universellen Zustand thermalisieren“, sagte Galitski.

Stellen Sie sich für einen Moment vor, kalte Milch in heißen Kaffee zu gießen. Die Partikel in Ihrer Tasse ordnen sich im Laufe der Zeit und durch ihre Wechselwirkungen in einen einheitlichen Gleichgewichtszustand, der weder rein heißer Kaffee noch kalte Milch ist. Diese Art von Verhalten – Thermalisierung – wurde von allen interagierenden Systemen erwartet. Das heißt, bis vor etwa 16 Jahren argumentiert wurde, dass Unordnung in einem Quantensystem zu einer Vielteilchenlokalisierung (MBL) führen würde.

„Dieses Phänomen, das Anfang des Jahres mit dem Lars-Onsager-Preis ausgezeichnet wurde, lässt sich nur schwer theoretisch oder experimentell beweisen“, sagte Galitski.

Welds Gruppe verfügte über die Technologie und das Fachwissen, um die Situation buchstäblich zu beleuchten. In ihrem Labor befindet sich ein Gas aus 100.000 ultrakalten Lithiumatomen, die in einer stehenden Lichtwelle schweben. Jedes Atom stellt einen Quantenrotor dar, der durch Laserpulse angestoßen werden kann.

„Wir können ein Werkzeug namens Feshbach-Resonanz verwenden, um die Atome voneinander zu verhüllen, oder wir können sie mit beliebig starken Wechselwirkungen voneinander abprallen lassen“, sagte Weld. Mit einem Dreh an einem Knopf konnten die Forscher die Lithium-Atome vom Linedance zum Moshpit bringen und ihr Verhalten einfangen.

Als die Atome füreinander unsichtbar waren, nahmen sie wie erwartet den Laserstoß bis zu einem bestimmten Punkt mit, wonach sie sich trotz wiederholter Tritte in ihrem dynamisch lokalisierten Zustand nicht mehr bewegten. Aber als die Forscher die Interaktion anwählten, verringerte sich nicht nur der lokalisierte Zustand, sondern das System schien Energie aus den wiederholten Tritten zu absorbieren und ahmte klassisches chaotisches Verhalten nach.

Weld wies jedoch darauf hin, dass das wechselwirkende ungeordnete Quantensystem zwar Energie absorbierte, dies jedoch viel langsamer als ein klassisches System.

„Was wir sehen, ist etwas, das Energie absorbiert, aber nicht so gut wie ein klassisches System“, sagte er. „Und es scheint, als würde die Energie ungefähr mit der Quadratwurzel der Zeit wachsen, anstatt linear mit der Zeit. Die Interaktionen machen es also nicht klassisch; es ist immer noch ein seltsamer Quantenzustand, der eine anomale Nichtlokalisierung aufweist.“

Test auf Chaos
Das Team von Weld verwendete eine Technik namens „Echo“, bei der die kinetische Evolution vorwärts und dann rückwärts läuft, um direkt zu messen, wie Wechselwirkungen die Zeitumkehrbarkeit zerstören. Diese Zerstörung der Zeitumkehrbarkeit ist eine Schlüsselsignatur des Quantenchaos.

„Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist die Frage: Wie viel Erinnerung an den Anfangszustand hat das System nach einiger Zeit?“ sagte Roshan Sajjad, eine Doktorandin im Lithium-Team. Ohne jegliche Störungen wie Streulicht oder Gaskollisionen, erklärte er, sollte das System in der Lage sein, in seinen Ausgangszustand zurückzukehren, wenn die Physik rückwärts läuft. „In unserem Experiment kehren wir die Zeit um, indem wir die Phase der Kicks umkehren und die Effekte der ersten normalen Kicks ‚rückgängig machen’“, sagte er. „Ein Teil unserer Faszination war, dass verschiedene Theorien unterschiedliche Verhaltensweisen für das Ergebnis dieser Art von Interaktionsaufbau vorhergesagt hatten, aber niemand das Experiment jemals durchgeführt hatte.“

„Die grobe Vorstellung von Chaos ist, dass, obwohl die Bewegungsgesetze zeitumkehrbar sind, ein Vielteilchensystem so kompliziert und empfindlich auf Störungen reagieren kann, dass es praktisch unmöglich ist, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren“, sagte Hauptautor Alec Cao. Die Wendung war, dass in einem effektiv ungeordneten (lokalisierten) Zustand die Interaktionen die Lokalisierung etwas durchbrachen, selbst als das System seine Fähigkeit zur Zeitumkehrung verlor, erklärte er.

„Naiv würde man erwarten, dass Interaktionen die Zeitumkehr ruinieren, aber wir haben etwas Interessanteres gesehen: Ein bisschen Interaktion hilft tatsächlich!“ fügte Sajjad hinzu. „Dies war eines der überraschenderen Ergebnisse dieser Arbeit.“

Weld, Galitski und ihre Teams waren nicht die einzigen, die diesen unscharfen Quantenzustand miterlebten. Der Physiker Subhadeep Gupta von der University of Washington und sein Team führten gleichzeitig ein ergänzendes Experiment durch, das ähnliche Ergebnisse mit schwereren Atomen in einem eindimensionalen Kontext lieferte. Dieses Ergebnis ist neben denen der UC Santa Barbara und der University of Maryland in Nature Physics veröffentlicht.

„Die Experimente an der UW arbeiteten in einem sehr schwierigen physikalischen Regime mit 25-mal schwereren Atomen, die darauf beschränkt waren, sich nur in einer Dimension zu bewegen, maßen aber auch ein schwächeres als lineares Energiewachstum durch periodisches Treten, was Licht auf einen Bereich wirft, in dem theoretische Ergebnisse dies getan haben im Konflikt gewesen“, sagte Gupta, dessen Gruppe mit dem Theoretiker Chuanwei Zhang und seinem Team an der University of Texas in Dallas zusammenarbeitete.

Diese Ergebnisse eröffnen, wie viele wichtige physikalische Ergebnisse, weitere Fragen und ebnen den Weg für weitere Quantenchaos-Experimente, bei denen die begehrte Verbindung zwischen klassischer und Quantenphysik aufgedeckt werden könnte.

„Davids Experiment ist der erste Versuch, eine dynamische Version von MBL in einer kontrollierteren Laborumgebung zu testen“, kommentierte Galitski. „Obwohl es die grundlegende Frage auf die eine oder andere Weise nicht eindeutig gelöst hat, zeigen die Daten, dass etwas Seltsames vor sich geht.“

„Wie können wir diese Ergebnisse im Kontext der sehr umfangreichen Arbeit zur Vielteilchenlokalisierung in Systemen der kondensierten Materie verstehen?“ fragte Weld. „Wie können wir diesen Aggregatzustand charakterisieren? Wir beobachten, dass das System delokalisiert, aber nicht mit der erwarteten linearen Zeitabhängigkeit; Was ist da los? Wir freuen uns auf zukünftige Experimente, die diese und andere Fragen untersuchen.“

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