|
Квантовая система демонстрирует универсальное поведение
|
|
|
|
Универсальное поведение является центральным свойством фазовых переходов, которое можно наблюдать, например, в магнитах, которые перестают быть магнитными выше определенной температуры. Группе исследователей из Кайзерслаутерна, Берлин и Хайнаня, Китай, впервые удалось наблюдать такое универсальное поведение во временном развитии открытой квантовой системы - одного атома цезия в ванне атомов рубидия. Это открытие помогает понять, как квантовые системы достигают равновесия. Это представляет интерес, например, для развития квантовых технологий. Исследование было опубликовано в Nature Communications. Фазовые переходы в химии и физике - это изменения в состоянии вещества, например, переход из жидкой фазы в газообразную при изменении внешнего параметра, такого как температура или давление. "Магниты - хороший пример", - говорит профессор доктор Артур Видера, возглавляющий подразделение индивидуальных квантовых систем в Университете Кайзерслаутерн-Ландау (RPTU).
|
|
|
|
"Ферромагнетики проявляют самопроизвольную намагниченность без внешнего магнитного поля, т.е. они по своей природе магнитны, но только ниже определенной критической температуры. Когда температура поднимается выше этой точки, система претерпевает непрерывный фазовый переход; выше этой температуры материал больше не является магнитным". В эксперименте универсальное поведение при фазовом переходе может быть специально индуцировано изменением такого параметра, как давление, магнетизм или температура. Особенность заключается в том, что такое поведение физической величины "может быть описано несколькими критическими параметрами, - продолжает Видера, - которые, в свою очередь, не зависят от деталей рассматриваемой системы". Может ли это универсальное поведение наблюдаться и в квантовом мире, то есть на атомном и субатомном уровне? В текущем исследовании исследовательская группа Видеры поместила отдельные атомы цезия в определенное квантовое состояние и погрузила их в газ, состоящий из атомов рубидия. Эта комбинация единой квантовой системы (цезия), взаимодействующей с рубидиевой ванной, также упоминается в кругах специалистов как открытая квантовая система.
|
|
|
Как атомы цезия, так и атомы рубидия были охлаждены почти до абсолютного нуля. "В отличие от обычных наблюдений, в нашем эксперименте время было параметром, который должен достичь критической точки, или критического времени", - говорит доктор Йенс Неттерсхайм, научный сотрудник Widera и соавтор исследования. Чтобы достичь этого, исследователям пришлось возбуждать квантовую систему большим количеством энергии. "Что мы сейчас наблюдали, так это то, что энтропия сначала увеличивается по мере развития системы с течением времени", - добавляет Линг-На Ву, физик-теоретик, который сопровождал проект и является первым автором исследования. Исследователи понимают термин энтропия как меру беспорядка в определенной системе и, следовательно, также возможность самоорганизации частиц в системе — как в данном случае атомов цезия и рубидия. Чем больше беспорядок в системе, тем выше энтропия, и наоборот. Ву говорит: "Это происходит до тех пор, пока энтропия не достигнет своего максимального значения, которое затем снова уменьшается". Именно в этот момент, в критический момент, начинается универсальное поведение квантовой системы.
|
|
|
|
Андре Экардт, профессор теоретической физики Берлинского технического университета (TU), руководивший теоретической работой над этим проектом, объясняет: "В это время происходит следующее: образно говоря, система теряет память о том, что происходило ранее, или о точном начальном состоянии. Последующая динамика универсальна". В физике это означает, что поведение может быть описано с помощью формулы и параметра. Исследование показывает, что в открытых квантовых системах существует универсальное поведение в отношении времени. Этой работой физики вносят свой вклад в лучшее понимание фундаментального функционирования таких систем. "До сих пор не совсем ясно, как такие открытые квантовые системы высвобождают энергию, то есть расслабляются, и как именно достигается термодинамическое равновесие", - объясняет Видера. Многие технические приложения сегодня работают только благодаря встроенной в них квантовой технологии. В будущем она будет играть все более важную роль, например, в квантовых компьютерах или квантовых датчиках. Поэтому важно понимать, что происходит в таких системах и как они взаимодействуют с окружающей средой.
|
|
|
|
Источник
|
