Podważono lokalizację wielocząstkową w układach kwantowych

W tak zwanym stanie lokalizacji wielocząstkowej, cząstki początkowo skoncentrowane w jednej części układu, powinny pozostawać w niej przez cały czas. Nowa praca teoretyczna sugeruje jednak, że tak nie jest, i cząstki na bardzo długich skalach czasowych ulegają termalizacji. Zespół projektowy (od góry do dołu): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan oraz Prof. Dr. Michael Fleischhauer – wszyscy z TU Kaiserslautern – oraz Prof. Dr. Jeskao Sirker, Uniwersytet Manitoba. (Zdjęcie: TU Kaiserslautern)

Zespół teoretyków fizyki z TU Kaiserslautern oraz University of Manitoba w Kanadzie przeprowadził skomplikowane symulacje numeryczne na superkomputerze "Elwetritsch" i wykazał: Cząstki kwantowe w egzotycznym stanie nierównowagi, określanym jako lokalizacja wielocząsteczkowa, na długich skalach czasowych – wbrew pierwotnym teoriom – nie są stabilne i ulegają termicznej równowadze. Wyniki tej współpracy badawczej zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters oraz opisane w artykule podsumowującym w czasopiśmie Physics.

Świat cząstek kwantowych, znajdujący się na poziomie subatomowym, podlega własnym prawom. Dlatego stany, w których te cząstki się znajdują, są trudne do uchwycenia za pomocą fizyki klasycznej. Kluczowe pytanie, które do dziś pozostaje otwarte i jest szeroko dyskutowane: czy zjawisko termicznej równowagi, powszechne w świecie klasycznym, ma również bezwzględnie miejsce w świecie kwantowym? Termiczna równowaga odnosi się do procesu, w którym mały podsystem zamkniętego układu, wymieniając energię i cząstki z innymi częściami, przechodzi w stan opisywalny przez niewiele parametrów, spełniający uniwersalne prawa termodynamiki.

Pod koniec lat 50. ubiegłego wieku laureat Nagrody Nobla Phillip Anderson pokazał na przykład, że nieoddziałujące elektrony w nieuporządkowanym materiale pozostają zlokalizowane, czyli przez cały czas pozostają w niewielkim obszarze przestrzeni, zamiast rozprzestrzeniać się po całym układzie. „Początkowo uważano, że efekt ten, znany jako lokalizacja Andersona, zostanie zniszczony przez oddziaływania, aż do momentu odkrycia egzotycznego stanu materii, zwanego lokalizacją wielocząsteczkową (many-body localization, MBL). Analogicznie do lokalizacji Andersona, w fazie MBL nie dochodzi do dyfuzji cząstek” – wyjaśnia prof. dr Michael Fleischhauer, który prowadzi badania na TU Kaiserslautern (TUK) w dziedzinie fizyki.

Teoretyczne opisanie długoterminowej dynamiki takich oddziałujących układów kwantowych stanowi nadal duże wyzwanie – do dziś nie ma pełnego zrozumienia zjawiska MBL. Teraz zespół teoretyków z TUK i Uniwersytetu w Winnipeg, w skład którego wchodzą Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, dr Razmik Unanyan, prof. Jesko Sirker i prof. Fleischhauer, podważył dotychczasowy obraz MBL. Symulacje numeryczne badaczy sugerują, że cząstki układu kwantowego z MBL nie są zlokalizowane, lecz nieustannie dyfundują przez cały układ.

„Aby to wykazać, obliczyliśmy numerycznie tzw. entropię liczby cząstek, czyli wkład do entropii lub, upraszczając, niepewności podsystemu, wynikający z fluktuacji w liczbie poruszających się cząstek” – wyjaśnia prof. Fleischhauer. „Gdyby układ był ściśle zlokalizowany, fluktuacje liczby cząstek i związana z tym entropia liczby cząstek szybko osiągnęłyby stałą, małą wartość. Zamiast tego symulacje pokazały, że entropia liczby cząstek nieustannie rośnie, choć bardzo powoli, proporcjonalnie do ln(ln(t)).” Te wyniki dowodzą, że albo istnieje jeszcze nieznany mechanizm, który powoduje, że układy lokalizują się dopiero na znacznie dłuższych skalach czasowych, albo MBL w ścisłym sensie nie istnieje.

Dalsze informacje o już opublikowanych materiałach:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Dowody na nieograniczony wzrost entropii liczby w fazach lokalizacji wielocząsteczkowej
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Stan lokalizacji wielocząsteczkowej zbliża się do równowagi
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Odpowiedziane pytania:

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