Квантовая колыбель Ньютона пролила свет на квантовую термализацию

02.05.2018

Учёные в целом хорошо понимают, как хаотическое движение атомов и молекул приводит к установлению теплового равновесия в классических системах. Не осталось никаких загадок, в том, как холодное молоко и горячий кофе обмениваются теплом и в итоге приходят к одной температуре. Это, однако, не так для систем квантовых, для которых роль хаотического движения всё ещё остаётся малоизученной.

Ⓒ APS/Joan Tykco
Ⓒ APS/Joan Tykco

В свежей статье, опубликованной в журнале Physical Review X, группа учёных из Стенфордского университета теоретически и экспериментально исследовала процесс термализации в квантовой системе на примере системы, которую они назвали квантовой колыбелью Ньютона.

Классическая колыбель Ньютона представляет собой несколько близко расположенных маятников. Если крайний из них отклонить и отпустить, он ударится о следующий, тот о следующий, и так далее. Таким образом происходит передача колебания от одного маятника другому по цепочке.

В квантовой колыбели Ньютона роль маятников выполняют атомы, которые выстроены в линию при помощи лазерного излучения. Ещё один лазер запускает в атомах колебания. Отличие квантовой колыбели от классической в том, что атомы могут не только сталкиваться и передавать колебания друг другу, но и проходить сквозь друг друга за счёт квантовых эффектов.

Учёные создали 700 квантовых колыбелей Ньютона на основе атомов диспрозия. Диспрозий обладает большим магнитным моментом, поэтому взаимодействие между атомами осуществлялось через магнитное поле. Экспериментаторы могли менять силу этого взаимодействия, выстраивая магнитные моменты атомов внешним магнитным полем.

С увеличением силы взаимодействия учёные наблюдали, как движение атомов превращалось из периодических колебаний в хаотическое. В первом случае термализация не наблюдалась, а вот при возникновении хаоса система быстро переходила в состояние теплового равновесия.

Эта работа позволит в дальнейшем разработать общую теорию квантовой термализации, которая в перспективе должна привести к созданию квантовых систем, работающих вдали от теплового равновесия.

Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!