A több részecske lokalizációja kvantumrendszerekben megkérdőjelezve

Egy úgynevezett többrészecske lokalizált állapotban a részecskék, amelyek eredetileg egy rendszer egy részében koncentrálódnak, minden időben ebben maradnak. Egy új elméleti munka azonban arra utal, hogy ez nem így van, és a részecskék nagyon hosszú időskálákon termálisizálódnak. A projektcsapat (felülről lefelé): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan és Prof. Dr. Michael Fleischhauer – mindannyian a TU Kaiserslautern-től – valamint Prof. Dr. Jeskao Sirker, Manitoba Egyetem. (Fotó: TU Kaiserslautern)

Az egyik elméleti fizikusokból álló csapat a Kaiserslautern-i Technische Egyetemen és a Kanadai Manitoba Egyetemen, a "Elwetritsch" nagy teljesítményű számítógépen végzett bonyolult numerikus szimulációk során kimutatta: Az egzotikus nemegyensúlyi fázisban lévő kvantumrészecskék, amelyeket sokrészecske-lokálásnak neveznek, hosszú időskálákon – az eredeti elméletekkel ellentétben – nem stabilak és termálisítódnak. A kutatási együttműködés eredményeit nemrég a Physical Review Letters szakfolyóiratban tették közzé, és egy összefoglaló cikkben a Physics folyóiratban ismertették.

A kvantumrészecskék világa, amely az atomi szint alatt található, saját törvényszerűségeit követi. Ezért az olyan állapotokat, amelyekben a részecskék ott megtalálhatók, csak nehezen lehet megérteni a klasszikus fizika segítségével. Egy központi kérdés, amely máig nyitott és sokat vitatott: érvényes-e a klasszikus világban mindent átható termalizáció jelensége korlátlanul a kvantumvilágban is? A termalizáció konkrétan azt a folyamatot jelöli, amikor egy zárt rendszer egyik kis alrendszere energiacsere és részecskecserék révén olyan állapotba kerül, amelyet néhány paraméter ír le, és amely megfelel a termodinamika általános törvényeinek.

A '50-es évek végén a Nobel-díjas Phillip Anderson például kimutatta, hogy a kölcsönhatás nélküli elektronok egy rendezetlen anyagban lokalizáltak maradnak, vagyis minden időben egy kis térbeli régióban tartózkodnak, ahelyett, hogy az egész rendszerben diffundálnának. „Először úgy gondolták, hogy ezt az Anderson-lokálás néven ismert hatást a kölcsönhatások megszüntetik, amíg fel nem fedezték az anyag egyik egzotikus állapotát, a sokrészecske-lokálást (many-body localization vagy MBL). Az Anderson-lokáláshoz hasonlóan egy MBL fázisban nem várható részecskék diffúziója”, magyarázza Prof. Dr. Michael Fleischhauer, aki a Kaiserslautern-i Technische Egyetemen (TUK) fizika tanszékén kutat.

Az ilyen kölcsönhatásban lévő kvantumrendszerek hosszú távú dinamikájának elméleti leírása továbbra is nagy kihívást jelent a kutatók számára – máig nincs teljes körű megértés az MBL-ről. Most egy elméleti fizikusokból álló csapat a TUK-ról és a Winnipeg-i Egyetemről, amely Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan, Prof. Jesko Sirker és Prof. Fleischhauer tagokból áll, megrengette az eddigi képet az MBL-ről. A kutatók numerikus szimulációi arra utalnak, hogy egy kvantumrendszer részecskéi MBL-ben nem lokalizálódnak, hanem folyamatosan diffundálnak az egész rendszerben.

„Ennek igazolására numerikusan kiszámítottuk az úgynevezett részecskeszám-entropiát, vagyis a részecskék száma által okozott entrópia hozzájárulását, leegyszerűsítve a részecskék száma bizonytalanságát, amely a részecskék közötti fluktuációkból adódik”, magyarázza Prof. Fleischhauer. „Ha a rendszer szigorúan lokalizált lenne, a részecskeszám-fluktuációk és ezzel a részecskeszám-entrópia nagyon gyorsan egy állandó, kicsi értéket vennének fel. Ehelyett a szimulációk azt mutatták, hogy a részecskeszám-entrópia folyamatosan növekszik, bár rendkívül lassan, a ln(ln(t)) arányában.” Ezek az eredmények azt bizonyítják, hogy vagy létezik egy még ismeretlen mechanizmus, amely miatt a rendszerek sokkal nagyobb időskálákon lokalizálódnak, vagy pedig a MBL nem létezik szigorúan értelmezve.

További információk a már megjelent publikációkról:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Bizonyíték a részecskeszám-entrópia korlátlan növekedésére sokrészecske-lokális fázisokban
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
A sokrészecske-lokális állapotok közelednek az egyensúlyhoz
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Kérdésekre válaszol:

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