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物理学家使用经典概念来解释超冷气体中奇怪的量子行为

  • 科学
  • 2020-09-10 08:23:38
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它们充满了奇异的量子荣耀:加州大学圣塔芭芭拉分校的本科生Alec Cao和他的David Weld原子物理学小组的同事操作的光阱中的超冷锂原子。这些原子被激光以规则的晶格形式保持,并被能量脉冲“驱动”,它们正在做疯狂的事情。

韦尔德说:“这有点奇怪。” “原子会朝一个方向被泵浦。有时它们会朝另一个方向被泵浦。有时它们会裂开并使这些看起来像DNA的结构。”

这些新的和意外的行为是由Cao,Weld和同事进行的一项实验的结果,该实验旨在拓宽我们对量子世界知识的认识。结果如何?动态量子工程领域的新方向,以及通往经典与量子物理学之间联系的诱人途径。

他们的研究发表在《物理评论研究》杂志上。

韦尔德说:“ 当摇动量子系统时,会发生很多有趣的事情。”他的实验室创建了“人工固体”(轻和超冷原子的低维晶格),以模拟更密堆积的真实固体中的量子机械粒子的行为。当受到驱动力时。最近的实验是一系列可追溯到1929年的最新实验,当时物理学家和诺贝尔奖获得者费利克斯·布洛赫(Felix Bloch)首次预测,在周期性量子结构的范围内,恒力作用下的量子粒子会振荡。

韦尔德说:“它们实际上是来回晃动,这是物质波动的结果。” 尽管这些位置空间布洛赫振荡是在近一个世纪前预测的,但它们只是在最近才被直接观察到;实际上,Weld的小组是2018年第一个看到它们的人,采用的方法使这些通常快速,无穷大的晃动变得又大又慢,并且易于观察。

十年前,其他实验通过对Bloch振荡系统施加额外的周期性力使其增加了时间依赖性,并发现了更剧烈的活动。发现了振荡之上的振荡(超级布洛赫振荡)。

在这项研究中,研究人员通过修改这些原子相互作用的空间,使系统又迈进了一步。

韦尔德说:“实际上,我们正在改变晶格。”通过改变激光强度和外部磁力,不仅增加了时间依赖性,而且使晶格弯曲,从而产生了不均匀的力场。他补充说,他们的产生大而慢的振荡的方法“使我们有机会了解在不均匀环境中使用Bloch振荡系统时会发生什么。”

这是事情变得奇怪的时候。原子来回发射,有时散开,有时会响应以​​各种方式推动晶格的能量脉冲而产生图案。

韦尔德说:“如果我们努力做到这一点,我们可以跟踪他们的进步。” “但是很难理解为什么他们做一件事而不是做另一件事。”

论文的主要作者曹操的见解导致了一种破译这种奇怪行为的方法。

曹刚说,“当我们一次研究所有动力学时,由于没有内在的对称性,我们只是一团糟,这使物理学难以解释。”刚开始在UCSB创意学院学习的四年级的曹说。

为了得出对称性,研究人员通过利用最初为观察经典非线性动力学(称为庞加莱截面)而开发的数学技术,通过消除尺寸(在这种情况下为时间)来简化这种看似混乱的行为。

曹说:“在我们的实验中,时间间隔由我们如何定期修改晶格来设置。” “当我们剔除所有“中间”时间并每隔一段时间观察一次行为时,结构和美就以轨迹的形状出现,因为我们适当地尊重了物理系统的对称性。” 仅在基于该时间间隔的时间段内观察系统会产生类似这些原子复杂而周期性运动的定格运动。

韦尔德补充道:“阿莱克所想的是,这些路径-这些庞加莱轨道-准确地告诉了我们为什么在某些驱动原子的机制中泵浦原子,而在其他驱动原子的机制中分散并破坏波函数。” 他说,研究人员从这里可以采取的一个方向是,利用这种知识来设计量子系统,使其通过驱动具有新的行为,并应用于诸如拓扑量子计算等新兴领域。

“但是,我们可以采取的另一个方向是,当我们开始像在这样的被驱动系统中增加交互作用之类的事情时,我们是否可以研究量子混沌的出现,”韦尔德说。

这是不小的壮举。几十年来,物理学家一直在尝试寻找经典物理学与量子物理学之间的联系。这是一种常见的数学运算,它可能解释一个领域中似乎没有相似之处的概念,例如经典混沌,量子力学中不存在这种语言。 。

韦尔德说:“您可能已经听说过蝴蝶效应,一只蝴蝶在加勒比海扇动翅膀会在世界各地引起台风。” “这实际上是经典混沌系统的一个特征,它对初始条件有敏感的依赖性。这个特征实际上很难在量子系统中重现-在量子系统中提出相同的解释令人费解。因此,这也许很小研究的一部分。”

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