Физики обнаружили квантовый газ, который не нагревается

Несмотря на постоянное воздействие и сильное взаимодействие, атомы перестают поглощать энергию. Система локализуется в импульсном пространстве, а распределение импульсов буквально замораживается — это удивительное явление назвали «многочастичной динамической локализацией» (MBDL). Автор: Universität Innsbruck

В повседневной жизни постоянное воздействие на систему приводит к её нагреву. Если потереть руки, они станут теплее. Удары по металлу раскаляют его. Даже без знания уравнений мы понимаем: любое воздействие — трение, давление или удар — повышает температуру системы.

Того же ожидают и от квантовых систем на микроуровне: при непрерывном возбуждении многочастичной системы, особенно с сильным взаимодействием частиц, предполагается, что она будет поглощать энергию и нагреваться. Но всегда ли это так, особенно в квантовом мире?

Оказывается, нет. Эксперимент, проведённый группой Ханса-Кристофа Нэгерла из Института экспериментальной физики Университета Инсбрука, показал обратное. Исследование опубликовано в журнале Science.

Локализация в импульсном пространстве

Учёные создали одномерную квантовую жидкость из сильно взаимодействующих атомов, охлаждённых до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля. Затем они подвергли атомы воздействию быстро и периодически включаемого решётчатого потенциала — своего рода «пинков» лазерным светом.

В таких условиях ожидалось, что атомы будут коллективно поглощать энергию, подобно детям на батуте, когда прыгает только один из них. Однако команда наблюдала иное. После короткого периода начальной эволюции распределение импульсов атомов перестало расширяться, а кинетическая энергия системы вышла на плато.

Несмотря на постоянные воздействия и сильное взаимодействие, система больше не поглощала энергию. Она локализовалась в импульсном пространстве — явление, названное «многочастичной динамической локализацией» (MBDL).

«В этом состоянии квантовая когерентность и многочастичная запутанность предотвращают термилизацию системы и диффузию, даже при постоянном внешнем воздействии», — объясняет Ханс-Кристоф Нэгерл. «Распределение импульсов буквально замораживается и сохраняет свою структуру».

Стабильность, основанная на квантовой механике

Яньлян Го, ведущий автор исследования, до сих пор удивлён: «Мы ожидали, что атомы начнут разлетаться в разные стороны. Вместо этого они вели себя удивительно упорядоченно».

Лэй Ин, теоретик из Университета Чжэцзяна (Ханчжоу, Китай), соглашается: «Это противоречит нашим наивным ожиданиям. Поразительно, что в сильно возбуждаемой и взаимодействующей системе квантовая когерентность может остановить поглощение энергии. Это идёт вразрез с классической интуицией и демонстрирует удивительную стабильность, коренящуюся в квантовой механике».

Ин добавляет, что моделирование такой, казалось бы, простой системы на классическом компьютере — сложная задача. «Поэтому нам нужны эксперименты. Они идут рука об руку с теоретическими расчётами».

Квантовая когерентность — ключевой фактор

Чтобы проверить хрупкость эффекта MBDL, учёные добавили случайность в последовательность воздействий. Даже небольшой уровень неупорядоченности разрушал локализацию и восстанавливал диффузию: распределение импульсов размывалось, кинетическая энергия резко возрастала, и система снова начинала поглощать энергию.

«Этот эксперимент показал, что квантовая когерентность критически важна для предотвращения термилизации в таких системах», — говорит Нэгерл.

Открытие MBDL имеет не только фундаментальное значение. Понимание того, как квантовые системы избегают термизации, — важный шаг на пути к созданию более совершенных квантовых устройств, включая симуляторы и компьютеры, где неконтролируемый нагрев и декогеренция являются серьёзными препятствиями.

«Этот эксперимент даёт точный и гибкий метод изучения устойчивости квантовых систем к хаосу», — отмечает Го. Результаты открывают новое окно в физику управляемых квантовых систем и ставят под сомнение давние предположения.

Подробнее: Yanliang Guo et al, Observation of many-body dynamical localization, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adn8625. www.science.org/doi/10.1126/science.adn8625

Источник: University of Innsbruck