Новые эксперименты с использованием одномерных газов из ультрахолодных атомов показывают универсальность того, как квантовые системы, состоящие из множества частиц, изменяются со временем после большого притока энергии, выводящего систему из равновесия. Группа физиков из Пенсильванского университета показала, что эти газы немедленно реагируют, «эволюционируя» с особенностями, характерными для всех квантовых систем «многих тел», выведенных из равновесия таким образом. Статья с описанием экспериментов появится 17 мая 2023 года в журнале Nature.
«Многие крупные достижения в физике за последнее столетие касались поведения квантовых систем со многими частицами», — сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и один из руководителей исследовательской группы. Несмотря на ошеломляющее количество разнообразных явлений «многих тел», таких как сверхпроводимость, сверхтекучесть и магнетизм, было обнаружено, что их поведение вблизи равновесия часто достаточно похоже, чтобы их можно было отсортировать в небольшой набор универсальных классов. Напротив, поведение систем, далеких от равновесия, дало мало таких объединяющих описаний».
Эти квантовые системы многих тел представляют собой ансамбли частиц, таких как атомы, которые могут свободно перемещаться относительно друг друга, объяснил Вайс. Когда они представляют собой некоторую комбинацию достаточно плотных и холодных частиц, что может меняться в зависимости от контекста, для описания их динамики требуется квантовая механика — фундаментальная теория, описывающая свойства природы на атомном или субатомном уровне.
Драматически неравновесные системы регулярно создаются в ускорителях частиц, когда пары тяжелых ионов сталкиваются на скоростях, близких к скорости света. В результате столкновений образуется плазма, состоящая из субатомных частиц «кварков» и «глюонов», которая возникает очень рано после столкновения и может быть описана гидродинамической теорией — подобно классической теории, используемой для описания воздушного потока или других движущихся жидкостей — задолго до того, как плазма достигнет локального теплового равновесия. Но что происходит за удивительно короткое время до того, как гидродинамическая теория может быть использована?
Физический процесс, который происходит до того, как гидродинамика может быть использована, называется «гидродинамизацией», — говорит Маркос Ригол, профессор физики в Пенсильванском университете и другой руководитель исследовательской группы. «Было разработано много теорий, чтобы попытаться понять гидродинамизацию в этих столкновениях, но ситуация довольно сложная, и ее невозможно наблюдать в реальности, как это происходит в экспериментах на ускорителях частиц. Используя холодные атомы, мы можем наблюдать, что происходит во время гидродинамизации».
Исследователи из штата Пенсильвания воспользовались двумя особенностями одномерных газов, которые задерживаются и охлаждаются лазерами до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы понять эволюцию системы после того, как она выведена из равновесия, но до того, как можно применить гидродинамику.