Osebni arhiv
Datum objave: 12.02.2021
Kategorija: Raziskovalci v objektivu, ERC in MSCA
Nov poskus je osvetlil, kako se kvantna snov razvije iz kompleksnosti v preprostost. Raziskovalci so atome ohladili na izredno nizke temperature, kjer se pojavijo pomembni kvantni učinki, in uporabili posebno vrsto elektronskega čipa, da so jih spravili iz ravnovesja in z visoko natančnostjo spremljali njihovo nadaljnjo dinamiko. Rezultati so razkrili natančen fizikalni mehanizem, ki vodi iz kompleksnega začetnega stanja v precej preprostejše končno stanje, ter dali dragocene namige o tem, kako narava teži k ravnovesju, kar je dolgoletno odprto vprašanje v teoretični fiziki.
Rezultati so bili delno doseženi v projektu Dr Spyrosa Sotiriadisa, v okviru projektov Marie Skłodowska-Curie – Pečat odličnosti, ki je pod nazivom »Kvantni sunki, transport in prepletenost v neravnovesnih enodimenzionalnih kvantnih sistemih« (koda: N1-0109) potekal na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, pod mentorstvom prof. dr. Tomaža Prosena, financirala pa ga je Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije. Rezultati dela, ki temelji na sodelovanju med Tehniško univerzo na Dunaju (TUW), Svobodno univerzo v Berlinu (FUB) in Univerzo v Ljubljani (UL), so bili nedavno objavljeno v reviji Nature Physics [1].
Narava, ki je povsod naokoli nas, ima nedvomno bogato pojavnost. Opisovanje te pojavnosti je primarna naloga fizike. Fizika izdeluje njene modele in zajema fizični svet z osnovnimi zakoni. Njen cilj je razumeti interakcije med sestavnimi deli in emergentne lastnosti, ki jih povzročajo te interakcije. Kvantna fizika je najboljša fizikalna teorija, ki jo imamo na voljo za opisovanje narave na temeljni ravni. Vsi sistemi, ki so v interakciji, bodo na koncu na tak ali drugačen način sledili zakonom dinamike v kvantni teoriji. S kvantno fiziko na danem fizičnem modelu predvidimo, kako se bo opazovani sistem sčasoma razvijal. Ta informacija je izražena kot verjetnost, da bomo pri merjenju fizikalne kvantitete ob določenem času prišli do specifične vrednosti. Kodirana je v matematičnem objektu, imenovanem »valovna funkcija«, ki predstavlja popoln opis fizikalnega sistema.
Presenetljivo je, da lahko pestrost fizikalnih situacij zelo dobro opišemo s preprostimi modeli. Gre za tako imenovana Gaussova stanja in modele. Morda to zveni abstraktno, vendar pa bi lahko rekli, da so Gaussova stanja opis fizikalne situacije s preprostimi Gaussovimi verjetnostnimi porazdelitvami. Takšne porazdelitve, poimenovane po matematiku Carlu Friedrichu Gaussu (1777–1855), so vseprisotne v statistiki in naravi. Gaussova kvantna stanja lahko v zelo dobrem približku opisujejo fizikalne sisteme, ki imajo zelo malo interakcij.
Vse to je jasno, vendar pa se zdi, da tem spoznanjem manjka razlaga, kako se kvantni sistemi, ki so bili pred tem v interakciji, znajdejo v takih Gaussovih stanjih. Od kod pride preprostost? Teoretsko delo že dolgo predvideva pojem »gaussifikacije«, tj. dinamični nastanek Gaussovih stanj v fizikalnih sistemih. Prof. Jens Eisert (FUB) je podobne pojave teoretično opredelil že leta 2008 [2,5], Dr Spyros Sotiriadis (UL) pa je proučil fizikalne pogoje in osnovni mehanizem, ki pojasnjuje te pojave [3,4]. Vendar pa so manjkali eksperimentalni dokazi. Skupina raziskovalcev pod vodstvom Prof. Jörga Schmiedmayerja (TUW), ki so jo teoretsko podprli Thomas Schweigler (TUW), Marek Gluza (FUB), Spyros Sotiriadis in Jens Eisert, se je zato lotila eksperimentalne raziskave tega, kako se kvantni sistemi na koncu približajo Gaussovim kvantnim stanjem. To vprašanje izvira iz in je povezano z vprašanjem, kako bi se na koncu vzpostavilo toplotno ravnovesje. Skupina raziskovalcev je atome, ohlajene na temperature zelo blizu absolutne ničle, vstavila v magnetno past, ki jo je proizvedel natančno oblikovan in nadzorovan elektronski čip – »atomski čip« –, in se tako približala odgovoru na dolgoletno vprašanje, ki je begalo že utemeljitelje kvantne mehanike.
Poskus je tako pokazal, kako dinamično nastajajo ravnovesne lastnosti, kot jih opisujejo Gaussova stanja, in jih pri tem natančno časovno spremljal. Z drugimi besedami, sčasoma se pokaže, kako narava teži k ravnovesju – stanju, ki ga zajamejo preprosti fizikalni opisi: preprostost nastane dinamično.
Slika: Vakuumska komora z atomskim čipom, elektronsko napravo, ki proizvaja magnetno past, s katero je mogoče pri poskusu omejevati, nadzirati in manipulirati ultrahladen atomski plin (Fotografija: Thomas Schweigler, TUW)
Viri:
1. Decay and recurrence of non-Gaussian correlations in a quantum many-body system, Thomas Schweigler, Marek Gluza, Mohammadamin Tajik, Spyros Sotiriadis, Federica Cataldini, Si-Cong Ji, Frederik S. Møller, João Sabino, Bernhard Rauer, Jens Eisert, Jörg Schmiedmayer, Nature Physics 17 (2021)
2. Exact relaxation in a class of nonequilibrium quantum lattice systems, M. Cramer, C. M. Dawson, J. Eisert, T. J. Osborne, Phys. Rev. Lett. 100, 030602 (2008)
3. Validity of the GGE for quantum quenches from interacting to noninteracting models, S. Sotiriadis, P. Calabrese, J. Stat. Mech.: Theory Exp. 2014, P07024 (2014)
4. Memory-preserving equilibration after a quantum quench in a one-dimensional critical model, S. Sotiriadis, Phys. Rev. A 94, 031605(R) (2016); Equilibration in one-dimensional quantum hydrodynamic systems, S. Sotiriadis, J. Phys. A: Math. Theor. 50 424004 (2017)
5. Equilibration via Gaussification in Fermionic Lattice Systems, M. Gluza, C. Krumnow, M. Friesdorf, C. Gogolin, J. Eisert, Phys. Rev. Lett. 117, 190602 (2016); Equilibration towards generalized Gibbs ensembles in non-interacting theories, M. Gluza, J. Eisert, T. Farrelly, SciPost Phys. 7, 38 (2019)