牛頓擺幫助美國研究人員深入理解量子熱化

　　美國斯坦福大學研究人員利用量子形式的牛頓擺研究量子粒子的混沌運動如何最終導致熱平衡。研究人員利用基于激光的牛頓擺觀察到在引入少量混沌運動之后，量子系統如何達到熱平衡。

副教授Benjamin Lev和他的研究團隊受到被稱為“牛頓擺”的玩具在量子系統研究中的啟發。圖片來源：L.A. Cicero/斯坦福大學。

　　斯坦福大學的研究人員創造了一種具有強磁偶極子，即偶極相互作用的一維玻色氣體。激光束通過氣密室照射以將氣體冷卻至接近絕對零度，然后將氣體原子裝入一排激光管中，作為牛頓擺的結構。該團隊制造的700個平行牛頓擺中每個都包含有大約50個原子。研究人員用激光束“擊打”原子，使其開始進行牛頓擺的運動。波色氣體具有強磁性并且可調諧。通過調整氣體原子之間的相互作用，研究人員能夠制造混沌運動。通過大量計算機模擬證實的實驗結果表明，牛頓擺的振蕩以兩步順序達到平衡：預熱化和接近指數的熱化。

　　Benjamin Lev教授表示：“這意味著我們能夠以一個非常普遍而且簡單的理論來解釋這種復雜的量子系統是如何熱化的，這很簡潔，因為它還能夠應用于其他系統。”研究人員為磁性量子牛頓擺設計了其他幾項實驗，并且隨著量子工程的發展，他們預計有更多的機會來完成這項工作。研究員Yijun Tang表示：“非常復雜的激光技術能夠通過原子操控系統，也許在今后的某個時候，我們可以將這些技術變成更實用的東西。”在接下來的實驗中，研究人員可能會以散斑激光的形式給牛頓擺的光管增加混沌作用，觀察是否能夠制造出一種逃避熱化的量子玻璃。

　　該研究發表于《物理評論X》。