Els físics il·luminen un altre tipus de caos

Els físics de la UC Santa Barbara, la Universitat de Maryland i la Universitat de Washington han trobat una resposta a la pregunta de física de llarga durada: Com afecten les interaccions entre partícules la localització dinàmica?

“És una qüestió molt antiga heretada de la física de la matèria condensada”, va dir David Weld, físic experimental de la UCSB amb especialitats en física atòmica ultrafreda i simulació quàntica. La pregunta entra en la categoria de la física de “molts cossos”, que interroga les propietats físiques d’un sistema quàntic amb múltiples parts que interactuen. Si bé els problemes de molts cossos han estat objecte d’investigació i debat durant dècades, la complexitat d’aquests sistemes, amb comportaments quàntics com la superposició i l’entrellaçament, donen lloc a multitud de possibilitats, cosa que fa que sigui impossible de resoldre només mitjançant el càlcul. “Molts aspectes del problema estan fora de l’abast dels ordinadors moderns”, va afegir Weld.

Afortunadament, aquest problema no estava fora de l’abast d’un experiment que implicava àtoms i làsers de liti ultrafreds. Aleshores, què sorgeix quan introduïu la interacció en un sistema quàntic caòtic i desordenat? Un “estat quàntic estrany”, segons Weld. “És un estat anòmal, amb propietats que d’alguna manera es troben entre la predicció clàssica i la predicció quàntica no interaccionant”.

Els resultats dels físics es publiquen a la revista Física de la natura.

“Alguna cosa estranya està passant”

Quan es tracta d’un comportament estrany i contraintuïtiu, el món quàntic no decep. Prenguem, per exemple, un pèndol normal, que es comportaria exactament com esperàvem quan està sotmès a polsos d’energia.

“Si el pateu i l’agiteu cap amunt i cap avall de tant en tant, un pèndol clàssic absorbirà energia contínuament, començarà a moure’s per tot arreu i explorarà tot l’espai dels paràmetres de manera caòtica”, va dir Weld.

En els sistemes quàntics el caos té un aspecte diferent. En lloc de moviment, el desordre pot portar les partícules a una mena d’aturada. I mentre que un pèndol quàntic o “rotor” pot absorbir primer energia de les puntades, semblant a un pèndol clàssic, amb puntades repetides, el sistema deixa d’absorbir energia i la distribució de l’impuls es congela, en el que es coneix com a estat dinàmicament localitzat. Aquesta localització és molt anàloga al comportament d’un sòlid electrònic “brut”, en el qual el desordre resulta en electrons immòbils i localitzats, fent que el sòlid passi de ser un metall, o un conductor (electrons en moviment), a ser un aïllant.

Si bé aquest estat de localització s’ha explorat durant dècades en el context de partícules senzilles i no interactives, què passa en un sistema desordenat amb múltiples electrons que interactuen? Qüestions com aquesta i aspectes relacionats amb el caos quàntic estaven a la ment de Weld i el seu coautor, el teòric de la Universitat de Maryland Victor Galitski, durant una discussió fa uns quants anys quan Galitski estava visitant Santa Bàrbara.

“El que va plantejar Victor va ser la qüestió de què passa, si en comptes d’aquest sistema quàntic pur no interaccionant que s’estabilitza per interferències, tens un munt d’aquests rotors i tots poden xocar i interactuar entre ells”, va recordar Weld. “Persisteix la localització o es destrueix per les interaccions?”

“De fet, és una qüestió molt difícil que es relaciona amb els fonaments de la mecànica estadística i la noció bàsica d’ergodicitat, per la qual la majoria dels sistemes que interactuen eventualment es transformen en un estat universal”, va dir Galitski.

Imagineu-vos per un moment abocant llet freda al cafè calent. Les partícules de la teva tassa, amb el temps i mitjançant les seves interaccions, s’arreglaran en un estat uniforme i d’equilibri que no és ni cafè purament calent ni llet freda. Aquest tipus de comportament-termalització—s’esperava de tots els sistemes interactius. És a dir, fins fa uns 16 anys quan es va argumentar que es pensava que el desordre en un sistema quàntic provocava la localització de molts cossos (MBL).

“Aquest fenomen, que va ser reconegut pel premi Lars Onsager a principis d’any, és difícil de demostrar amb rigor teòricament o establir experimentalment”, va dir Galitski.

El grup de Weld tenia la tecnologia i l’experiència per aclarir la situació, literalment. Al seu laboratori hi ha un gas de 100.000 àtoms de liti ultrafred suspès en una ona estacionària de llum. Cada àtom representa un rotor quàntic que pot ser impulsat per polsos làser.

“Podem utilitzar una eina anomenada ressonància de Feshbach per mantenir els àtoms encoberts els uns dels altres, o podem fer-los rebotar entre ells amb interaccions arbitràriament fortes”, va dir Weld. Amb un gir d’un botó, els investigadors podrien fer que els àtoms de liti passessin de la dansa en línia al mosh pit i capturen els seus comportaments.

Com era d’esperar, quan els àtoms eren invisibles entre si, van portar el làser a un punt determinat, després del qual van deixar de moure’s en el seu estat dinàmicament localitzat, malgrat els cops repetits. Però quan els investigadors van marcar la interacció, no només va disminuir l’estat localitzat, sinó que el sistema semblava absorbir energia dels cops repetits, imitant el comportament caòtic clàssic.

No obstant això, va assenyalar Weld, mentre que el sistema quàntic desordenat interaccionant estava absorbint energia, ho feia a un ritme molt més lent que un sistema clàssic.

“El que estem veient és una cosa que absorbeix energia, però no tan bé com ho pot fer un sistema clàssic”, va dir. “I sembla que l’energia està creixent aproximadament amb l’arrel quadrada del temps en lloc de linealment amb el temps. Així que les interaccions no ho fan clàssic; encara és un estat quàntic estrany que presenta una no localització anòmala”.

Prova de caos

L’equip de Weld va utilitzar una tècnica anomenada “eco” en la qual l’evolució cinètica es fa cap endavant i després cap enrere per mesurar directament la forma en què les interaccions destrueixen la reversibilitat del temps. Aquesta destrucció de la reversibilitat del temps és una de les claus del caos quàntic.

“Una altra manera de pensar-ho és preguntar-se: quanta memòria de l’estat inicial té el sistema després d’un temps?” va dir el coautor Roshan Sajjad, investigador estudiant graduat de l’equip de liti. En absència de cap pertorbacions com ara col·lisions de llum dispersa o gasos, va explicar, el sistema hauria de ser capaç de tornar al seu estat inicial si la física es fa cap enrere. “En el nostre experiment, invertim el temps invertint la fase de les puntades, “desfer” els efectes del primer conjunt normal de puntades”, va dir. “Una part de la nostra fascinació era que diferents teories havien predit diferents comportaments sobre el resultat d’aquest tipus de configuració d’interacció, però ningú havia fet mai l’experiment”.

“La idea aproximada del caos és que tot i que les lleis del moviment són reversibles en el temps, un sistema de moltes partícules pot ser tan complicat i sensible a les pertorbacions que és pràcticament impossible tornar al seu estat inicial”, va dir l’autor principal Alec Cao. El gir va ser que en un estat efectivament desordenat (localitzat), les interaccions van trencar una mica la localització, fins i tot quan el sistema va perdre la seva capacitat per invertir el temps, va explicar.

“Ingènuament, s’esperaria que les interaccions arruïnessin la inversió del temps, però vam veure alguna cosa més interessant: una mica d’interacció realment ajuda”, va afegir Sajjad. “Aquest va ser un dels resultats més sorprenents d’aquest treball”.

Weld i Galitski no van ser els únics que van presenciar aquest estat quàntic borrós. El físic Subhadeep Gupta de la Universitat de Washington i el seu equip van realitzar un experiment complementari al mateix temps, produint resultats similars utilitzant àtoms més pesats en un context unidimensional. Aquest resultat es publica juntament amb els de la UC Santa Barbara i la Universitat de Maryland a Física de la natura.

“Els experiments a UW van operar en un règim físic molt difícil amb àtoms 25 vegades més pesats restringits per moure’s només en una dimensió, però també van mesurar un creixement d’energia més feble que lineal a partir de cops periòdics, donant llum a una àrea on els resultats teòrics han estat en conflicte”, va dir Gupta, el grup del qual va col·laborar amb el teòric Chuanwei Zhang i el seu equip a la Universitat de Texas a Dallas.

Aquestes troballes, com molts resultats importants de la física, obren més preguntes i obren el camí per a més caos quàntic experiments, on es pot descobrir el cobejat vincle entre la física clàssica i la física quàntica.

“L’experiment de David és el primer intent de sondar una versió dinàmica de MBL en un entorn de laboratori més controlat”, va comentar Galitski. “Tot i que no ha resolt inequívocament la qüestió fonamental d’una manera o altra, les dades mostren que està passant alguna cosa estranya”.

“Com podem entendre aquests resultats en el context del treball molt gran sobre la localització de molts cossos en sistemes de matèria condensada?” va preguntar Weld. “Com podem caracteritzar aquest estat de la matèria? Observem que el sistema s’està deslocalitzant, però no amb la dependència temporal lineal esperada; què està passant allà? Esperem futurs experiments que explorin aquestes i altres preguntes”.