量子物理學:研究發現耗散多體系統中相干的異常衰減

2020-12-05 空氣泡說事

在量子物理學中,一些最有趣的效應是幹涉的結果。當量子系統由於外部噪聲或耦合到更大且不受監控的系統(即周圍環境)而最終失去產生幹擾的能力時,就會發生退相干或相干性損失。

儘管許多研究已經研究了簡單且良好隔離的系統(例如單個原子或離子)中的去相干性,但到目前為止,對多體系統中的去相干性知之甚少。許多人體系統是由許多相互作用的粒子組成的系統,其中粒子間的相互關係和相互作用可以極大地改變耗散動力學。

法國的Collège和法國的Laboratoire Kastler Brossel(CNRS與ENS-Paris Sciences et Lettres和SorbonneUniversité的聯合研究部門)的一組研究人員最近著手研究耗散多體系統的消相干性,特別是由強烈相互作用的玻色子組成的氣體。他們的研究以《自然物理學》為特色,適合更廣泛的研究領域,其重點是量子系統中的退相干。

過去的研究表明,退相干與量子力學中通常使用的測量過程之間存在著深遠的聯繫。研究人員基於這一重要發現進行了研究,並試圖將其用於收集有關多體系統中去相干性的觀察結果。

格比爾說:「雖然相干現象在簡單的量子系統(例如一個原子或離子)中廣為人知,但是對包含大量粒子的多體系統的研究才剛剛開始。」 「部分原因是由於很難建模多體系統的非平衡行為,這一領域直到最近才有所發展。我們的工作是受D. Poletti及其合作者D. Poletti共同開發的理論的推動Corinna Kollath和Antoine Georges。」

在進行研究時,Gerbier及其同事與Kollath和Georges進行了幾次有關其理論的深入討論,因此在他們的工作中發揮了重要作用。在實驗中,Gerbier和他的同事將由許多強烈相互作用的玻色子組成的氣體置於光學晶格中,該晶格暴露於弱的近共振雷射束中。他們使用的量子氣體由硼bo原子組成。

他們使用的雷射將原子從電子基態連續提升到激發態,然後通過發射自發光子使原子從基態退回到基態。此特定設置對應於原子位置的微弱和實驗可調參數。

格比爾解釋說:「自發輻射是退相干的教科書。」 「這將相干的拉比振蕩轉變為指數衰減,並且破壞了存在於宏觀物質波中的不同點之間的空間相干,例如在我們的實驗中實現的玻色-愛因斯坦凝聚物。」

有趣的是,Gerbier和他的同事觀察到動量空間中的反常擴散,最終反映了氣體中緩慢放鬆的多體狀態的出現。這些狀態類似於許多激發發射器的亞輻射狀態。

本質上,研究人員發現,與強相互作用的多體系統相比,去相干要慢於獨立的單個粒子的收集。他們觀察到代數(即冪定律)衰變和短距離相干性,而不是單個粒子中發現的標準指數衰變,其持續時間長於原子不相互作用的情況。

這一發現可能對開放多體系統的研究具有重要意義,為將來的研究提供基準。在不同的多體系統的理論研究中也注意到了類似的冪律行為,例如在波動磁場中的自旋鏈或偶極-偶極相互作用對光鐘的影響,但尚未通過實驗觀察到。

Gerbier說:「我們現在計劃進一步研究弛豫和退相干如何利用超冷原子的靈活性來改變多體量子系統的特性(改變幾何形狀,尺寸,退相干機理等)。」

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