Znane cząstki kwantowe – nowe zwodnicze wskazówki dotyczące ich wspólnej reakcji na oddziaływania słabe
Wspólny ruch jest zjawiskiem doskonale znanym w przyrodzie i występującym we wszystkich skalach – od stada szpaków do ławicy ryb czy mnożących się bakterii. Te grupy zwierząt zdają się działać jak jeden organizm kierowany kolektywną świadomością. Analogicznie w fizyce oddziaływania między światem mikroskopowym a światem makroskopowym bada mechanika statystyczna: proste oddziaływania zachodzące między elementami mikroskopowymi pozwalają czasem wyjaśnić mierzalne właściwości układów makroskopowych. Wszystko się zmienia, gdy przejdziemy do nanoskali. Wtedy dziwaczny świat mechaniki kwantowej pokazuje, na co go stać. Weźmy na przykład frakcjonalizację, czyli sytuację, w której zbiorowe wzbudzenie układu nie daje się wyjaśnić jako suma wzbudzeń jego elementów. Chociaż znamy kilka mechanizmów pozwalających zrozumieć tego typu zjawiska w układach w stanie równowagi, w układach wzbudzonych sytuacja znacznie się komplikuje. W ramach finansowanego przez UE projektu ThermOutOfEq opracowano konfiguracje narzędzi inżynierskich mające podnieść teoretyczne rozumienie zjawisk kolektywnych zachodzących w nanoskali. Podjęto także próbę przygotowania teoretycznych podejść do badania zachowań układów chaotycznych.
Strzałka czasu wskazuje do przodu
Badacze opisali ustalenia, które demonstrują odwracalny i nieodwracalny charakter dynamiki kwantowej oddziaływań słabych. Wykorzystanie formalizmu Matrix Product State umożliwiło przeprowadzenie analizy łańcucha spinowego w modelu kwantowym Heisenberga. To popularny model opisujący oddziaływania między spinami magnetycznymi za pomocą macierzy jednowymiarowej. Właściwości tych oddziaływań można obliczyć analitycznie dla stanu równowagi. W tym przypadku, mimo że mikroskopowe elementy składowe to poszczególne spiny, kolektywne wzbudzenia układu odpowiadają falom spinowym. Te zaś zachowują się zasadniczo jak cząstki – gdy dwie fale spinowe poruszające się w przeciwne strony spotykają się ze sobą, mogą się połączyć, tworząc „stan związany”, czyli większą „cząstkę”. Pary stanów związanych mogą też oddziaływać między sobą, generując złożone spektrum „cząstek” o różnych rozmiarach. „Aby lepiej zrozumieć dynamikę fal spinowych i ich stany związane poza stanem równowagi, zaproponowaliśmy konfigurację, w której pole magnetyczne przyspiesza te cząstki. Zaobserwowaliśmy, że niektóre stany związane przy większych prędkościach są niestabilne. Istnieje krytyczna wartość prędkości, przy której rozpadają się one na mniejsze cząstki”, wyjaśnia koordynator projektu Andrea De Luca. Co więcej, naukowcy zauważyli, że istnieje tylko jeden sposób tworzenia stanu związanego po połączeniu dwóch lub więcej fal spinowych, np. ze względu na zasadę zachowania energii energia stanu związanego jest całkowicie ustalona. Z kolei po rozpadzie stanu związanego jego energia może podzielić się między powstałe w ten sposób cząstki na wiele różnych sposobów. „Ten rodzaj »braku informacji« leży u podstaw generacji entropii i powstania nieodwracalności. Zauważyliśmy, że dopóki fale spinowe nie osiągną prędkości krytycznej, stan układu jest całkowicie odwracalny – po odwróceniu pola magnetycznego fale spinowe wracają do swojego stanu początkowego. Po przekroczeniu prędkości krytycznej tracą zupełnie pamięć o rozbitych stanach związanych”, dodaje De Luca.
Macierze losowe i chaos kwantowy
Zrozumienie tej manifestacji chaosu w płynnej i falistej naturze zjawisk kwantowych jest niemałym wyzwaniem. „W świecie klasycznym małe zaburzenie ruchu cząstki (kuli bilardowej) może spowodować znaczne odchylenie toru jej ruchu, ale w świecie kwantowym niemożliwe jest określenie jakichkolwiek torów ruchu układów kwantowych. Jedyne, co wiemy, to że chaotyczne układy kwantowe statystycznie zachowują się jak matryce losowe”, wyjaśnia De Luca. Używając losowego obwodu Floqueta, naukowcy potwierdzili tę znaną od pewnego czasu hipotezę. Udało im się podać przykład układu kwantowego będącego jednocześnie układem chaotycznym o dużej liczbie stopni swobody, dla którego istnieje jednoznaczne rozwiązanie. Zdołali też wykazać, w jaki sposób w układzie pojawiają się razem chaos i zachowania macierzy losowej.
Słowa kluczowe
ThermOutOfEq, fale spinowe, stan związany, nieodwracalne, wzbudzenia kolektywne, brak równowagi, chaos kwantowy, model łańcucha spinów Heisenberga, Floquet
