Universelle Physik in der Dynamik eines Quantensystems entdeckt

Physiker der Penn State University haben eine universelle Reaktion in Quantensystemen entdeckt, wenn sie durch einen großen Energieeinfluss gestört werden. Mithilfe ultrakalter, eindimensionaler Gase konnten sie diese Reaktion und die anschließende Phase, die als „Hydrodynamisierung“ bekannt ist, genau beobachten und so ein Modell zum Verständnis ähnlicher Quantensysteme liefern. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Neue Experimente mit ultrakalten Atomgasen geben Aufschluss darüber, wie sich alle interagierenden Quantensysteme nach einem plötzlichen Energiezufluss entwickeln.

Neue Experimente mit eindimensionalen Gasen ultrakalter Atome offenbaren eine Universalität in der Art und Weise, wie sich Quantensysteme, die aus vielen Teilchen bestehen, im Laufe der Zeit verändern, nachdem ein großer Energiezufluss das System aus dem Gleichgewicht bringt. Ein Team von Physikern an der Penn State University zeigte, dass diese Gase sofort reagieren und sich mit Merkmalen „entwickeln“, die allen „Vielteilchen“-Quantensystemen gemeinsam sind, die auf diese Weise aus dem Gleichgewicht geraten. Ein Artikel, der die Experimente beschreibt, wurde am 17. Mai 2023 in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

„Viele große Fortschritte in der Physik im letzten Jahrhundert betrafen das Verhalten von Quantensystemen mit vielen Teilchen“, sagte David Weiss, angesehener Professor für Physik an der Penn State und einer der Leiter des Forschungsteams. „Trotz der erstaunlichen Vielfalt verschiedener ‚Vielteilchen‘-Phänomene wie Supraleitung, Supraflüssigkeit und Magnetismus wurde festgestellt, dass ihr Verhalten in der Nähe des Gleichgewichts oft so ähnlich ist, dass sie in eine kleine Gruppe universeller Klassen eingeteilt werden können.“ Im Gegensatz dazu gibt es für das Verhalten von Systemen, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, nur wenige derart einheitliche Beschreibungen.“

Neue Experimente mit ultrakalten Atomgasen enthüllen die universelle Physik in der Dynamik von Quantensystemen. Die Doktorandin der Penn State University, Yuan Le, die Erstautorin der Arbeit, die die Experimente beschreibt, steht in der Nähe der Apparatur, mit der sie eindimensionale Gase nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugt und untersucht hat. Bildnachweis: David Weiss, Penn State

Diese Quanten-Vielteilchensysteme sind Ensembles von Teilchen, wie Atomen, die sich relativ zueinander frei bewegen können, erklärte Weiss. Wenn sie eine Kombination aus dicht und kalt genug sind, was je nach Kontext variieren kann, ist die Quantenmechanik – die grundlegende Theorie, die die Eigenschaften der Natur auf atomarer oder subatomarer Ebene beschreibt – erforderlich, um ihre Dynamik zu beschreiben.

In Teilchenbeschleunigern entstehen routinemäßig dramatisch aus dem Gleichgewicht geratene Systeme, wenn Paare schwerer Ionen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Die Kollisionen erzeugen eine[{” attribute=””>plasma—composed of the subatomic particles “quarks” and “gluons”—that emerges very early in the collision and can be described by a hydrodynamic theory—similar to the classical theory used to describe airflow or other moving fluids—well before the plasma reaches local thermal equilibrium. But what happens in the astonishingly short time before hydrodynamic theory can be used?

“The physical process that occurs before hydrodynamics can be used has been called ‘hydrodynamization,” said Marcos Rigol, professor of physics at Penn State and another leader of the research team. “Many theories have been developed to try to understand hydrodynamization in these collisions, but the situation is quite complicated and it is not possible to actually observe it as it happens in the particle accelerator experiments. Using cold atoms, we can observe what is happening during hydrodynamization.”

The Penn State researchers took advantage of two special features of one-dimensional gases, which are trapped and cooled to near absolute zero by lasers, in order to understand the evolution of the system after it is thrown of out of equilibrium, but before hydrodynamics can be applied. The first feature is experimental. Interactions in the experiment can be suddenly turned off at any point following the influx of energy, so the evolution of the system can be directly observed and measured. Specifically, they observed the time-evolution of one-dimensional momentum distributions after the sudden quench in energy.

“Ultra-cold atoms in traps made from lasers allow for such exquisite control and measurement that they can really shed light on many-body physics,” said Weiss. “It is amazing that the same basic physics that characterize relativistic heavy ion collisions, some of the most energetic collisions ever made in a lab, also show up in the much less energetic collisions we make in our lab.”

The second feature is theoretical. A collection of particles that interact with each other in a complicated way can be described as a collection of “quasiparticles” whose mutual interactions are much simpler. Unlike in most systems, the quasiparticle description of one-dimensional gases is mathematically exact. It allows for a very clear description of why energy is rapidly redistributed across the system after it is thrown out of equilibrium.

“Known laws of physics, including conservation laws, in these one-dimensional gases imply that a hydrodynamic description will be accurate once this initial evolution plays out,” said Rigol. “The experiment shows that this occurs before local equilibrium is reached. The experiment and theory together, therefore, provide a model example of hydrodynamization. Since hydrodynamization happens so fast, the underlying understanding in terms of quasi-particles can be applied to any many-body quantum system to which a very large amount of energy is added.”

Reference: “Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases” by Yuan Le, Yicheng Zhang, Sarang Gopalakrishnan, Marcos Rigol and David S. Weiss, 17 May 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9

In addition to Weiss and Rigol, the research team at Penn State includes Yuan Le, Yicheng Zhang, and Sarang Gopalakrishnan. The research was funded by the U.S. National Science Foundation. Computations were carried out at the Penn State Institute for Computational and Data Sciences.