Lokalizace mnohačástic v kvantových systémech je zpochybněna

V takzvaném mnohotukovém lokalizovaném stavu by měly částice, které jsou původně soustředěny v jedné části systému, zůstat v něm po všechny časy. Nová teoretická práce však naznačuje, že tomu tak není, a že se částice na velmi dlouhých časových škálách tepelné vyrovnávají. Tým projektu (shora dolů): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan a Prof. Dr. Michael Fleischhauer – všichni z TU Kaiserslautern – a Prof. Dr. Jeskao Sirker, University of Manitoba. (Foto: TU Kaiserslautern)

Skupina teoretických fyziků z TU Kaiserslautern a University of Manitoba v Kanadě ukázala ve složitých numerických simulacích na výkonném počítači "Elwetritsch": Kvantové částice v exotické nerovnovážné fázi, označované jako lokalizace mnohotěles, nejsou na dlouhých časových škálách – na rozdíl od původních teorií – stabilní a termalizují. Výsledky výzkumné spolupráce byly nedávno publikovány v odborném časopise Physical Review Letters a popsány v souhrnném článku v časopise Physics.

Svět kvantových částic, nacházející se na subatomární úrovni, následuje vlastní zákonitosti. Proto jsou stavy, ve kterých se částice nacházejí, pomocí klasické fyziky jen těžko zachytitelné. Jednou z klíčových otázek, která je dodnes otevřená a široce diskutovaná: platí v klasickém světě všudypřítomný jev termalizace i v kvantovém světě bez omezení? Konkrétně je termalizace označen proces, při kterém se malé podsystemy uzavřeného systému prostřednictvím výměny energie a částic dostávají do stavu, který lze popsat několika parametry a který odpovídá univerzálním zákonitostem termodynamiky.

V pozdních 50. letech například nositel Nobelovy ceny Phillip Anderson ukázal, že neinteragující elektrony v neuspořádaném materiálu zůstávají lokalizované, tj. setrvávají po všechny časy v malém prostoru, místo aby se difuzně rozšiřovaly po celém systému. „Zpočátku se věřilo, že tento jev známý jako Andersonova lokalizace bude narušen interakcemi, až byla objevena exotická fáze hmoty, takzvaná lokalizace mnohotěles (many-body localization nebo MBL). Analogicky k Andersonově lokalizaci se v MBL fázi neočekává žádná částicová difuze,“ vysvětluje prof. Dr. Michael Fleischhauer, který na TU Kaiserslautern (TUK) v oboru fyziky zkoumá.

Teoretické popisy dlouhodobé dynamiky takových interagujících kvantových systémů představují stále velkou výzvu – dodnes neexistuje úplné porozumění MBL. Nyní tým teoretických fyziků z TUK a University of Winnipeg, složený z Maximiliana Kiefer-Emmanouilidise, Dr. Razmika Unanyana, prof. Jeska Sirkera a prof. Fleischhauer, narušil dosavadní představu o MBL. Numerické simulace výzkumníků naznačují, že částice kvantového systému s MBL se neukládají, ale nekonečně se difuzně pohybují celým systémem.

„Abychom to ukázali, numericky jsme spočítali takzvanou entropii počtu částic, což je příspěvek k entropii nebo zjednodušeně řečeno neurčitost podsystemu, která vzniká fluktuacemi v počtu pohybujících se částic,“ vysvětluje prof. Fleischhauer. „Kdyby byl systém striktně lokalizovaný, měly by fluktuace počtu částic a s tím související entropie počtu částic velmi rychle dosáhnout konstantní, malé hodnoty. Místo toho simulace ukázaly, že entropie počtu částic nekonečně roste, i když velmi pomalu, úměrně ln(ln(t)).“ Tyto výsledky dokazují, že existuje buď ještě neznámý mechanismus, který způsobuje, že systémy se lokalizují až na mnohem delších časových škálách, nebo že MBL v přísném smyslu neexistuje.

Další informace o již publikovaných článcích:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Důkaz pro nekonečný růst entropie počtu v mnohotělesně lokalizovaných fázích
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Mnohotělesně lokalizované stavy směřují k rovnováze
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Odpovědi na otázky:

Prof. Dr. Michael Fleischhauer
Tel.: 0631 205-3206
E-mail: mfleisch@physik.uni-kl.de