Многократното енергизиране на колекция от ултрастудени атоми би трябвало да разруши тяхната колективна структура, но квантовите ефекти изглежда противодействат на процеса. Оказва се, че на микроскопично ниво Вселената понякога позволява на системите да заобиколят неумолимата тенденция към ентропия, която управлява ежедневието ни.
Крайната съдба на всяка физическа система би трябвало да бъде "термализация" – процес, при който физическите тела достигат термично равновесие - равномерно разпределение на енергията и равномерна температура, което максимизира ентропията на системата. Затова термализацията, термичното равновесие и температурата са важни фундаментални понятия в термодинамиката.
Този процес може да се оприличи на ледена скулптура, която при затопляне се превръщаща в хомогенна локва вода. Може да се предположи, че многократното хвърляне на камъни по скулптурата, т.е. енергизирането на структурата, насилствено разрушавайки и хомогенизирайки я, би трябвало да ускори този процес.
Но физици в Инсбрук от университета в Инсбрук, Австрия, са наблюдавали по същество прави точно обратното в експеримент, при който група ултрастудените атоми упорито се съпротивляват на нагряването, отказвайки да се термализират, да постигнат термичното равновесие, дори при непрекъснато външно въздействие.
Дори при постоянно движение и силни взаимодействия, атомите спират да абсорбират енергия. Системата се локализира в импулсното пространство, като разпределението на импулса ефективно замръзва – поразителен ефект, наречен като динамична локализация на много тела (MBDL - many-body dynamical localization). Кредит: University of Innsbruck
В експерименти, описани в Science, екипът на Ханс-Кристоф Негерл (Hanns-Christoph Nägerl) от Университета в Инсбрук е подготвил едноизмерен квантов флуид и го е подложил на бързи, периодични "удари" от лазерно създадена решетка - (образувана от интерференцията на противоположно разпространяващи се лазерни лъчи). Вместо да абсорбира енергия и да се нагрява, както би предвидила класическата физика, разпределението на импулса на атомите се е обездвижило – феномен, наречен многообектна динамична локализация (MBDL - many-body dynamical localization). Този ефект не само преобръща традиционната термодинамична логика, но и осигурява нови пътища за стабилизиране на бъдещи квантови устройства.
Импулсът е замръзнал на място
Екипът охлажда силно взаимодействащи цезиеви атоми до температури от порядъла на нанокелвин над абсолютната нула и ги подлага на стотици бързи лазерни импулси. Класически, подобни продължителни импулси би трябвало да карат атомите да абсорбират енергия безкрайно – подобно на засилване на махало – но наблюдаваното поведение е било коренно различно. След кратък период на разпространение, разпределението на импулса на атомите спира да се променя и кинетичната им енергия се стабилизира: те отказват да се нагряват допълнително.
"В това състояние квантовата кохерентност и вплитането на много частици пречат на системата да се термализира и да показва дифузионно поведение, дори при продължително външно въздействие", обяснява Негерл. "Разпределението на импулса по същество замръзва и запазва каквато и да е структура".
Ред в един енергизиран квантов свят
Екипът е бил изненадан, очаквайки атомите да започнат да летят навсякъде, а вместо това, те се държат по удивително подреден начин.
"В силно задвижвана и силно взаимодействаща система, многочастичната кохерентност?? очевидно може да спре абсорбцията на енергия. Това противоречи на класическите очаквания, показвайки поразителна стабилност, вкоренена в квантовата механика", обяснява екипът.
Тази кохерентност обаче се оказва крехка. Дори въвеждането на малка случайност в подаваната равномерно енергия е била достатъчно, за да разруши локализацията. В резултат на това нормалната дифузия се възобнови и кинетичната енергия на атомите отново започва да нараства.
Последици за квантовата технология
Динамичната локализация на много частици или MBDL е повече от академично любопитство. Способността за контрол на абсорбцията на енергия в изолирани квантови системи може да бъде от основно значение за разработването на квантови симулатори и компютри, устойчиви на декохеренция и прегряване - постоянни пречки в квантовите изчисления. MBDL демонстрира, че квантовата кохерентност може да неутрализира разрушителния хаос, който измъчва класическите системи, извадени от равновесие, представяйки нов наръчник за квантова стабилност.
Този експеримент предоставя прецизен и лесно регулируем начин за изследване на това как квантовите системи могат да устоят на привличането на хаоса. Симулирането на такива ненагряващи се, кохерентни квантови състояния на класически компютри остава изключително предизвикателство, което подчертава експерименталното значение на тези резултати.
Докато физиците допълнително изследват MBDL, тази работа илюстрира по-широка тема в квантовите науки: на микроскопично ниво Вселената понякога позволява на системите да заобиколят неумолимата тенденция към ентропия, която управлява ежедневието ни.
Справка: Yanliang Guo et al., Observation of many-body dynamical localization. Science 389, 716-719(2025). DOI: 10.1126/science.adn8625
Източник: A Quantum Gas That Refuses to Warm Up, University of Innsbruck
Още по темата
Технологии
Златни "суператоми" могат да направят революция в квантовата технология
Физика
Нов квантов парадокс: По-малко енергия - по-бързо преминаване през бариери
Физика
Квантов еквивалент на 2-ия закон на термодинамиката е открит за манипулация на вплитането
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Стъклените бутилки съдържат 5 до 50 пъти повече микропластмаси от пластмасовите бутилки
dolivo
Най-старите "човешки" фосили в Япония, се оказаха нечовешки, твърди ново проучване
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици