Meervoudige deeltjeslokalisatie in kwantumsystemen in twijfel getrokken

In een zogenaamde veeldeelchenlokalisatie- toestand zouden deeltjes, die aanvankelijk geconcentreerd zijn in een deel van het systeem, voor alle tijden in dit blijven. Een nieuw theoretisch werk suggereert nu dat dit niet het geval is, en dat deeltjes zich op zeer lange tijdschalen thermaliseren. Het projectteam (van boven naar beneden): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan en Prof. Dr. Michael Fleischhauer – allemaal TU Kaiserslautern – evenals Prof. Dr. Jeskao Sirker, Universiteit Manitoba. (Foto: TU Kaiserslautern)

Een team van theoretische natuurkundigen van de TU Kaiserslautern en de University of Manitoba in Canada heeft met behulp van uitgebreide numerieke simulaties op de high-performance computer "Elwetritsch" aangetoond: Kwantumdeeltjes in een exotische niet- evenwichtstoestand, die wordt aangeduid als veeldeeltjeslokalisatie, zijn op lange tijdschalen – in tegenstelling tot oorspronkelijke theorieën – toch niet stabiel en thermaliseren. De resultaten van de onderzoekscoöperatie werden onlangs gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters en beschreven in een samenvattingsartikel in het tijdschrift Physics.

De wereld van kwantumdeeltjes, die zich op subatomair niveau bevindt, volgt haar eigen wetten. Daarom zijn toestanden waarin de deeltjes daar voorkomen, met behulp van de klassieke fysica moeilijk te begrijpen. Een centrale vraag die tot op heden open en veelbesproken is: geldt het alomtegenwoordige fenomeen van thermalisering in de klassieke wereld ook onvoorwaardelijk in de kwantumwereld? Concreet wordt met thermalisering de proces bedoeld waarbij een klein deel van een afgesloten systeem door energie- en deeltjesuitwisseling met de andere delen overgaat in een toestand die door enkele parameters kan worden beschreven en die voldoet aan de universele wetten van de thermodynamica.

In de late jaren 50 heeft de Nobelprijswinnaar Phillip Anderson bijvoorbeeld aangetoond dat niet-werkende elektronen in een ongeordend materiaal lokaal blijven, dat wil zeggen dat ze voor alle tijden in een klein ruimtelijk gebied blijven hangen in plaats van door het hele systeem te diffunderen. "Aanvankelijk geloofde men dat dit effect, bekend als Anderson-lokalisatie, door interacties zou worden vernietigd, totdat een exotische toestand van materie, de zogenaamde veeldeeltjeslokalisatie (many-body localization of MBL), werd ontdekt. Analogie aan Anderson-lokalisatie wordt in een MBL-fase geen deeltjesdiffusie verwacht", legt Prof. Dr. Michael Fleischhauer uit, die aan de TU Kaiserslautern (TUK) onderzoek doet in de afdeling natuurkunde.

De theoretische beschrijving van de langetermijndynamiek van dergelijke interactie-kwantensystemen vormt nog steeds een grote uitdaging voor onderzoekers – tot op heden bestaat er geen volledig begrip van MBL. Nu heeft een team van theoretische natuurkundigen van de TUK en de Universiteit van Winnipeg, bestaande uit Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan, Prof. Jesko Sirker en Prof. Fleischhauer, het bestaande beeld van MBL op losse schroeven gezet. De numerieke simulaties van de onderzoekers suggereren namelijk dat deeltjes van een kwantumtoestand met MBL niet lokaliseren, maar onophoudelijk door het hele systeem diffunderen.

“Om dit te bewijzen, hebben we de zogenaamde deeltjesaantal-entropy numeriek berekend, dat wil zeggen de bijdrage aan de entropy of, eenvoudiger gezegd, de onbepaaldheid van het deel systeem, die ontstaat door fluctuaties in het aantal bewegende deeltjes”, legt Prof. Fleischhauer uit. “Als het systeem strikt gelokaliseerd zou zijn, zouden de fluctuaties in het deeltjesaantal en daarmee de bijbehorende deeltjesaantal-entropy zeer snel een constante, kleine waarde aannemen. In plaats daarvan toonden de simulaties aan dat de deeltjesaantal-entropy onophoudelijk toeneemt, zij het uiterst langzaam, evenredig met ln(ln(t)).” Deze resultaten bewijzen dat er ofwel een nog onbekend mechanisme bestaat dat ertoe leidt dat systemen pas op veel grotere tijdschalen lokaliseren, of dat MBL in strikte zin niet bestaat.

Verdiepend informatie over de reeds gepubliceerde artikelen:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Bewijs voor onbegrensde groei van de deeltjesentropie in veeldeeltjesgelokaliseerde fasen
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Many-Body Localized States Inch Toward Equilibrium
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Vragen beantwoord door:

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