量子物理學：秩序是如何產生的？
來自MPQ，LMU和FUB的德國科學家分析了訂單在量子力學系統中的出現速度。
在水冷凍期間，最初無序的分子開始形成有序晶體，即冰。在此階段轉換期間，它們從無序重排為更有序的狀態。這種設置自然會帶來一個重要問題：這種相變需要多長時間，即每個分子在晶體中找到它的位置需要多長時間？
對於這種和類似問題的答案在例如冶金學中具有重要的後果，因為所得晶粒的尺寸在決定鋼的彈性或脆性方面起主要作用。雖然這些問題已被廣泛研究用於經典系統，但它們在量子系統的背景下相對未被探索。通過在光學晶格中使用超冷原子，由Maxrichck量子光學研究所，慕尼黑路德維希 - 馬克西米利安大學，柏林自由大學和馬德里Consejo Superior deInvestigacionesCientíficas的Ulrich Schneider和Immanuel Bloch領導的團隊取得了成功在一個乾淨和良好控制的實驗中測量秩序的出現。他們的研究結果揭示了當前理論模型的不足之處，並於本週發佈美國國家科學院院刊。
任何階段轉變的基本問題是：它是如何實際發生的，即系統如何從一個階段發展到另一個階段？特別是對於量子系統，通常沒有簡單的答案可用，因為這些系統的動態通常比相本身複雜得多。此外，存在稱為臨界減速的效應，這意味著系統的反應時間在接近相變點時強烈增加並且在此時發散。因此，系統永遠不會從無序進入完全“平滑”進入有序階段。因此，表徵有序相位的相關性能夠以多快的速度出現和傳播，是相變物理學中的核心問題。直觀地，人們可以想象一組最初指向隨機方向的小箭頭。除了相變之外，現在每個箭頭都指向與其鄰居相同的方向。所以，最終，所有箭頭都要對齊，但選擇哪個方向？由於起初所有方向都是等效的，因此箭頭必須自發地破壞這種對稱性，這意味著它們必須在一個特定的方向上達成一致。這個訂購過程有多快發生？
有序相的出現在理論上已經研究了一段時間。現在，科學家們第一次能夠在一個乾淨且精確控制的合成多體系統中研究這一過程：這個系統由多達十萬個原子形成，這些原子已經深入到量子體系中，然後被定位到在所謂的光學晶格中的單個晶格位置，即由重疊和干涉激光束形成的光晶體。在該Mott絕緣體中，晶格位置之間不存在相關性。通過現在增加晶格位點之間的耦合 - 粒子的隧穿速率 - 可以誘導量子相轉變為另一相。在這個新的超流體相中，顆粒可以自由地穿過晶格。由於所有原子都以連貫的方式運動 - 它們最終都將成為單波函數的一部分，即玻色 - 愛因斯坦凝聚 - 這導致了遠距離相關，甚至在非常遠的晶格位置之間。在他們的實驗中，慕尼黑的實驗團隊現在可以首次定量地觀察這種相關性的出現並研究其時間依賴性。
他們可以將他們的結果與理論模型進行比較，並表明這些模型太簡單，不能描述現實情況，需要通過新穎的，尚未知的貢獻來擴展。慕尼黑的實驗團隊現在可以首次定量觀察這種相關性的出現並研究其時間依賴性。他們可以將他們的結果與理論模型進行比較，並表明這些模型太簡單，不能描述現實情況，需要通過新穎的，尚未知的貢獻來擴展。慕尼黑的實驗團隊現在可以首次定量觀察這種相關性的出現並研究其時間依賴性。他們可以將他們的結果與理論模型進行比較，並表明這些模型太簡單，不能描述現實情況，需要通過新穎的，尚未知的貢獻來擴展。
在一維情況下，即一串格子點，實驗結果可以與柏林自由大學的Jens Eisert團隊在經典超級計算機上進行的精確數值計算進行比較。這種比較構成了對實驗的獨立檢查，它以絢麗的色彩傳遞。在這種成功的推動下，實驗被擴展到二維和三維情況，其中沒有數值計算是可行的。所獲得的結果現在可用於測試和確定新的理論概念，從而推進我們對量子系統中多體動力學的基礎知識和理解。
本實驗可以被視為量子模擬器：通過在良好控制的模型系統上進行實驗，我們可以瞭解複雜系統的行為，這些行為通常難以直接進行實驗研究，也無法用數字模擬。通過提供急需的基準數據，量子模擬器將有助於從根本上提升我們對此類系統的瞭解。
閱讀更多 天下朋友情義 的文章
