使用超冷原子的一維氣體進行的新實驗揭示了由許多粒子組成的量子系統在大量能量流入使系統失去平衡後如何隨時間變化的普遍性。賓夕法尼亞州立大學的一組物理學家表明，這些氣體會立即做出反應，“進化”出所有以這種方式失去平衡的“多體”量子系統所共有的特徵。一篇描述實驗的論文於2023 年5 月17 日發表在《自然》雜誌上。

用超冷原子氣體進行的新實驗揭示了所有相互作用的量子系統在突然的能量湧入後是如何演變的。

“上個世紀物理學的許多重大進展都與具有許多粒子的量子系統的行為有關，”賓夕法尼亞州立大學傑出物理學教授、研究團隊的領導者之一戴維·韋斯（David Weiss）說。“儘管存在各種各樣的’多體’現象，如超導性、超流性和磁性，但人們發現它們在接近平衡狀態時的行為通常足夠相似，以至於可以將它們分類為一小組通用類別。 相比之下，遠離平衡的系統的行為幾乎沒有產生這樣的統一描述。”

超冷原子氣體的新實驗揭示了量子系統動力學中的普遍物理學。賓夕法尼亞州立大學研究生袁樂是描述實驗的論文的第一作者，她站在她用來創造和研究接近絕對零的一維氣體的設備旁邊。圖片來源：大衛·韋斯，賓夕法尼亞州立大學

韋斯解釋說，這些量子多體系統是粒子的集合，例如原子，它們可以相對於彼此自由移動。當它們是足夠稠密和足夠冷的組合時（這可能會根據環境而變化），需要量子力學（在原子或亞原子尺度上描述自然屬性的基本理論）來描述它們的動力學。

當成對的重離子以接近光速的速度碰撞時，粒子加速器中通常會產生嚴重失衡的系統。碰撞產生等離子體——由亞原子粒子“夸克”和“膠子”組成——在碰撞的早期就出現，可以用流體動力學理論來描述——類似於在等離子體達到局部熱平衡之前用於描述氣流或其他移動流體的經典理論。但在流體動力學理論得以應用之前的極短時間內會發生什麼呢？

“在使用流體動力學之前發生的物理過程被稱為’水動力化’，”賓夕法尼亞州立大學物理學教授、該研究小組的另一位領導者馬科斯·里戈爾（Marcos Rigol）說。“已經發展了許多理論來試圖理解這些碰撞中的水動力作用，但情況相當複雜，不可能像粒子加速器實驗中那樣實際觀察到它。 使用冷原子，我們可以觀察氫動力化過程中發生的情況。”

賓夕法尼亞州立大學的研究人員利用一維氣體的兩個特殊特徵，即通過激光捕獲並冷卻到接近絕對零的氣體，以了解系統在失去平衡後但在流體動力學能夠實現之前的演化。第一個功能是實驗性的。實驗中的相互作用可以在能量流入後的任何時刻突然關閉，因此可以直接觀察和測量系統的演化。具體來說，他們觀察了能量突然淬滅後一維動量分佈的時間演化。

韋斯說：“激光製成的陷阱中的超冷原子可以進行如此精確的控制和測量，從而真正為多體物理學帶來啟示。令人驚奇的是，表徵相對論性重離子碰撞（實驗室中發生的一些最高能碰撞）的相同基本物理特性，也出現在我們實驗室中發生的能量低得多的碰撞中。”

第二個特徵是理論上的。以復雜方式相互作用的粒子集合可以被描述為相互相互作用要簡單得多的“準粒子”集合。與大多數係統不同，一維氣體的準粒子描述在數學上是精確的。它可以非常清楚地描述為什麼能量在失去平衡後會在系統中快速重新分配。

“這些一維氣體中已知的物理定律，包括守恆定律，意味著一旦這種初始演化發生，流體動力學描述將是準確的，”里戈爾說。“實驗表明，這種情況發生在達到局部平衡之前。 因此，實驗和理論一起提供了水動力化的模型實例。 由於水動力化發生得如此之快，因此對準粒子的基本理解可以應用於任何添加了大量能量的多體量子系統。”