В повседневной жизни любое повторяющееся воздействие почти всегда приводит к нагреву. Если потереть ладони, они согреются, а удар молотком по металлу делает его горячим на ощупь. Даже без специальной подготовки в области физики мы интуитивно понимаем – если постоянно воздействовать на систему, размешивая, сжимая или ударяя ее, ее температура будет расти. Физики ожидали такого же поведения и на гораздо меньших, квантовых масштабах.
Считалось, что в квантовых системах, состоящих из множества взаимодействующих частиц, постоянное внешнее воздействие должно вызывать непрерывное поглощение энергии, а следовательно – нагрев. Однако недавний эксперимент показал, что эта интуитивная логика не всегда применима на квантовом уровне. Исследователи из группы Ханса-Кристофа Нэгерля с факультета экспериментальной физики Инсбрукского университета решили проверить, действительно ли сильно возбуждаемая квантовая система неизбежно нагревается, и получили неожиданный ответ.
Команда создала одномерный квантовый газ из сильно взаимодействующих атомов, охлажденных до температуры всего в несколько нанокельвинов выше абсолютного нуля. С помощью лазерного света ученые подвергли атомы воздействию оптической решетки, которая быстро и многократно включалась и выключалась. Такая установка создавала регулярно пульсирующую среду, которая фактически «подталкивала» атомы снова и снова. Ожидалось, что атомы будут непрерывно поглощать энергию, но вместо этого исследователи увидели нечто удивительное. После короткого начального периода распределение импульсов атомов остановилось, а кинетическая энергия системы перестала расти и стабилизировалась.
Несмотря на то, что на атомы продолжали воздействовать и они активно взаимодействовали друг с другом, система перестала поглощать энергию. Она вошла в состояние, известное как многочастичная динамическая локализация. В этом состоянии движение частиц оказывается «запертым» в импульсном пространстве, а не распространяется свободно. «В этом состоянии квантовая когерентность и многочастичная запутанность не дают системе термализоваться – то есть прийти в тепловое равновесие – и проявлять диффузное поведение даже при постоянном внешнем воздействии, – объясняет Ханс-Кристоф Нэгерль. – Распределение импульсов по сути замирает и сохраняет ту структуру, которую оно имело».
Результат удивил даже самих ученых. Ведущий автор исследования Янлян Го признался, что такое поведение противоречило их прогнозам: «Изначально мы ожидали, что атомы начнут разлетаться во все стороны. Вместо этого они повели себя поразительно упорядоченно». Эту реакцию разделил и Лэй Ин, теоретик из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, Китай. «Это не соответствует нашим интуитивным ожиданиям. Поразительно то, что в сильно возбуждаемой и сильно взаимодействующей системе многочастичная когерентность может очевидно остановить поглощение энергии. Это противоречит классической интуиции и раскрывает удивительную стабильность, коренящуюся в квантовой механике», – отметил он, добавив, что воспроизвести такое поведение с помощью классического компьютерного моделирования чрезвычайно сложно.
Чтобы проверить, насколько устойчиво это необычное состояние, исследователи изменили эксперимент, добавив в последовательность лазерных импульсов элемент случайности. Эффект был мгновенным – даже небольшое количество беспорядка оказалось достаточным, чтобы разрушить локализацию. Как только когерентность была нарушена, атомы повели себя более предсказуемо: их импульсы снова начали распределяться, кинетическая энергия стала быстро расти, и система возобновила неограниченное поглощение энергии. «Этот тест показал, что квантовая когерентность играет решающую роль в предотвращении нагрева в таких системах», – говорит Нэгерль.
Открытие многочастичной динамической локализации имеет значение, выходящее далеко за рамки фундаментальной физики. Предотвращение нежелательного нагрева – одна из главных проблем при разработке квантовых симуляторов и компьютеров. Эти устройства полагаются на поддержание тонких квантовых состояний, которые легко могут быть разрушены из-за накопления энергии и потери когерентности. «Этот эксперимент предоставляет точный и хорошо настраиваемый способ для изучения того, как квантовые системы могут противостоять хаосу», – заключает Го.
Исследование, опубликованное в журнале Science, бросает вызов устоявшимся представлениям о поведении квантовой материи и открывает новые пути к пониманию того, как квантовые системы могут оставаться стабильными даже при сильном внешнем воздействии. Работа получила финансовую поддержку от Австрийского научного фонда FWF, Австрийского агентства по содействию исследованиям FFG и Европейского союза.
