斯坦福研究人员利用玩具启发技术研究量子系统中的行为

悬浮的金属球体来回晃动,牛顿的摇篮不仅仅是一种流行的桌面玩具。它教会了一代学生关于动量和能量的保护。这也是斯坦福大学物理学和应用物理学副教授Benjamin Lev研究量子系统的实验的灵感来源 。

列夫和他的 小组 建立了他们自己的量子版牛顿的摇篮,以回答有关量子粒子的混沌运动如何最终导致热化过程中的热平衡的问题。回答如何在量子系统中发生这种情况有助于开发量子计算机,传感器和设备,Lev将其描述为“量子工程革命”。

“如果我们希望能够创造出强大而有用的设备,我们需要了解量子系统如何表现得失去平衡 - 当他们被踢时,就像牛顿的摇篮一样 - 在我们理解为经典的基础上系统,“列夫说。

通过摇篮,研究人员首次观察到,在引入少量混沌运动后,量子系统如何达到热平衡。他们 在 Physical Review X上发表了他们的 发现。

这些实验的结果不符合先前的预测,已经导致了这个过程如何在量子系统中起作用的理论。

极冷,强磁性

牛奶添加到咖啡中的湍流漩涡是非量子世界中一个熟悉的混沌例子。随着时间的推移,咖啡混合物变得均匀,因此达到平衡。Lev实验室想要知道的是,在它们引起混乱之后,这种演变是如何发生在量子系统中的。通过他们的摇篮实验,研究人员是第一个观察这个过程的人。

Lev实验室的量子牛顿的摇篮与你在同事的小隔间看到的任何东西都不同。研究人员将激光束照射到一个密闭的室内,将原子气体冷却到几乎绝对零度 - 这是宇宙中已知最冷的气体之一 - 然后它们将这些原子加载到一系列激光管中,作为牛顿的摇篮。700个平行支架中的每一个都包含连续约50个原子。然后,另一个激光器踢动原子,开始摇篮的运动。

与宾夕法尼亚大学的David Weiss开发的先前量子牛顿摇篮不同,Lev实验室的摇篮包含强磁性原子,其中弱磁性原子取代了摇篮的金属球体。

这项工作建立在实验室之前的成就,即制造高磁性元​​素镝的第一种量子气体 - 与铽结合作为所有元素中最具磁性的。奥巴马总统 在2011年为这个里程碑提供了Lev 为科学家和工程师颁发的 总统早期职业奖。研究人员将镝原子装入密闭室。

研究人员可以调整这些原子对邻居的影响。它们可以使摇篮表现得好像原子不是磁性的,因此它会产生典型牛顿摇篮的周期性运动。或者他们可以通过调高磁力来产生混乱的运动 - 就像牛顿的摇篮,磁铁绑在球体上。

到目前为止,物理学家还没有关于在微妙混沌量子系统中如何产生热化的理论。以前的计算模拟研究得出了不同的结论。现在,通过他们的实验,研究人员直接表明,摇篮的振荡以两个指数步骤的顺序达到平衡,这是一个意想不到的结果。

他们还在广泛的计算机模拟中证实了他们的实验结果。基于这些实验和模拟,该小组开发了一种解释其发现的理论。

“这意味着我们可以拥有一个非常通用的简单理论来理解像这样复杂的量子系统如何复杂化,”列夫说。“这很漂亮,因为它允许你将其翻译成其他系统。”

原子原子

研究人员已经为磁性量子牛顿的摇篮做了几个实验计划,他们预计随着量子革命的发展,有更多机会建立在这项工作之上。

“非常复杂的激光技术可以逐个原子地操纵系统,”最近毕业的Lev实验室博士生,该论文的第一作者Yijun Tang说。“所以,也许我们能做的事情将超越基础科学问题。也许,在某些时候,我们可以将这些技术变成更实用的东西。“

在未来的实验中,研究人员可能会以斑点激光的形式为摇篮的管道添加无序,看看它们是否能够制造出一种能够避免热化的量子玻璃。本文所做的实验都是用一种叫做玻色子的镝同位素完成的,因此该小组还计划用替代版本费米子重复其工作。Lev说,他们不确定费米子的改变是否会对热化有所影响,他们会欢迎另一个惊喜。

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