研究者は、おもちゃに触発された技術を用いて量子システムの挙動を調べる

Anonim

ニュートンの揺りかごは、吊り下げられた金属球が前後に揺れ動くので、人気のあるデスクトップ遊具です。 勢いとエネルギーの節約について、世代を教えてきました。 また、スタンフォード大学の物理学と応用物理学の准教授であるBenjamin Levが量子システムを研究するために創造した実験のインスピレーションです。

Levと彼のグループは、量子粒子の混沌とし​​た動きが最終的に熱平衡と呼ばれる過程でどのように熱平衡に至るかについての質問に答えるために、ニュートンのクレードルの独自の量子バージョンを構築しました。 これが量子システムでどのように起こるかを考えると、量子コンピュータ、センサ、デバイスの開発に役立ちます。これは、Levが「量子工学革命」として特徴づけています。

「頑丈で有用なデバイスを作りたいなら、量子システムがニュートンの揺りかごのように蹴られたときに、量子システムがどのように平衡状態から外れているのかを理解する必要があります。システム "と述べた。

このクレードルで、研究者らは、カオス運動を少量誘導した後、量子システムが熱平衡に達する方法を初めて観察しました。 彼らは Physical Review X で5月2日の調査結果を発表した。

これまでの予測に適合しなかったこれらの実験の結果は、このプロセスが量子システムでどのように機能するかの理論につながった。

非常に寒い、強磁性

コーヒーに加えられた乱流の渦巻きは、非量子世界のカオスのよく知られた例です。 時間とともに、コーヒー混合物は均質になり、したがって平衡に達する。 Levの研究室が知りたがっていたのは、量子システムにおいて、これらの進化がカオスに触れるだけでどのように起こるかということです。 彼らの揺りかごを使った実験を通じて、研究者はこのプロセスが起こったときにこのプロセスを最初に観察した。

Levラボのクォンタムニュートンの揺りかごは、あなたの同僚のキュービクルで見たものとは異なります。 研究者らは、レーザービームを密閉チャンバーを通して照射し、原子のガスをほぼ零まで冷却します。これは、宇宙で最も寒い既知のガスの1つです。ニュートンの揺りかご。 700個の平行な受け台の各々は、約50個の原子を一列に含む。 次に、別のレーザーが原子を蹴り、クレードルの動きを開始します。

弱い磁性原子がクレードルの金属球の代わりになったペン・ステートのDavid Weissによって開発された以前の量子ニュートンの揺りかごとは異なり、Lev研究室の揺りかごは強い磁気原子を含んでいます。

この研究は、すべての元素の中で最も磁場の強いテルビウムと結びついた高磁気元素ジスプロシウムの最初の量子気体を作り上げたラボの過去の成果を基にしています。 オバマ大統領は2011年にLevに科学者と技術者のための大統領賞を授与しました。これは研究者が気密チャンバに搭載したジスプロシウムの原子です。

研究者は、これらの原子がどのように隣接原子に影響を与えるかを調整することができます。 それらは原子が磁気ではないようにクレードルを動作させることができるので、ニュートンのクレードルに典型的な周期的な動きを生成する。 あるいは、ニュートンの揺りかごのように、球体に磁石を巻きつけたような、磁気を上げて混沌とした動きを作り出すこともできます。

今まで、物理学者は、微妙にカオス的な量子システムにおいてどのように熱化が起こるかの理論を持っていませんでした。 計算シミュレーションを用いたこれまでの研究は、様々な結論をもたらした。 さて、彼らの実験を通して、研究者らは、クレードルの振動が2つの指数ステップのシーケンスで平衡に達したことを直接示しました。これは予想外の結果でした。

彼らはまた、大規模なコンピュータシミュレーションで実験結果を確認しました。 これらの実験とシミュレーションに基づいて、グループはその発見を説明する理論を作成しました。

「これは、このような複雑な量子システムがどれほど複雑になるかについて、非常に一般的で単純な理論を持つことができることを意味する」とLev氏は語った。 "それはあなたが他のシステムにそれを翻訳することができるので、美しいです。

原子による原子

既に、研究者は磁気量子ニュートンの揺りかごについていくつかの実験を計画しており、量子革命が進展するにつれてこの作業を構築するより多くの機会を期待しています。

"非常に洗練されたレーザー技術は、原子ごとにシステムを操作することができます"とYijun Tangは、Lev研究所の博士課程の学生を卒業し、この論文の執筆者を務めました。 だから、おそらく私たちができることは基本的な科学の問題を超えているかもしれません。ある時点では、これらの技術をより実用的なものに変えることができます。

来るべき実験では、研究者は、スペックル化されたレーザー光の形でクレードルのチューブに無秩序を加えて、熱分解を回避する一種の量子ガラスを作り出すことができるかどうかを見極めることができます。 この論文に貢献した実験はすべて、bosonsと呼ばれるジスプロシウム同位体の1つのバージョンで行われたので、グループはまた別のバージョン、fermionsでその作業を繰り返す予定です。 彼らは、フェルミオンへの変化が熱化に影響を与えるかどうかについては確信が持たれていないとLevは述べ、彼らはもう一つの驚きを歓迎する。

menu
menu