Fisika – banyak kendala tubuh

Anushya Chandran1 dan Philip Crowley21Departemen Fisika, Universitas Boston, Boston, Massachusetts, US2Departemen Fisika, Universitas Harvard, Cambridge, Massachusetts, AS

12 Februari 2024• Fisika 17, 24

Penelitian teoretis ini menyoroti mengapa beberapa sistem kuantum banyak benda terjebak secara lokal dan gagal mencapai kesetimbangan termal – sebuah fenomena yang dikenal sebagai lokalisasi banyak benda.

A. Chandran/Universitas Boston; Universitas P. Crowley/Harvard; APS/Kain Carin

Gambar 1: Kotak berisi dua jenis partikel yang dipisahkan oleh sekat (atas). Dalam sistem ergodik, ketika sekat dihilangkan, partikel-partikelnya akan bercampur. Dalam sistem yang mengalami lokalisasi banyak benda, partikel-partikelnya tidak bercampur dan malah selamanya menyimpan ingatan akan kondisi awalnya.

A. Chandran/Universitas Boston; Universitas P. Crowley/Harvard; APS/Kain Carin

Gambar 1: Kotak berisi dua jenis partikel yang dipisahkan oleh sekat (atas). Dalam sistem ergodik, ketika sekat dihilangkan, partikel-partikelnya akan bercampur. Dalam sistem yang mengalami lokalisasi banyak benda, partikel tidak bercampur dan malah selamanya menyimpan kenangan akan kondisi awalnya.×

Prinsip dasar fisika statistik adalah hipotesis ergodik, yang menyatakan bahwa sistem makroskopis pada akhirnya akan mengeksplorasi semua konfigurasi mikroskopis yang diperbolehkan. Konsekuensi luasnya mencakup ketidakmungkinan gerak abadi dan panah waktu. Namun, tidak semua sistem fisik bersifat ergodik. Sistem dengan ketidakhomogenan mikroskopis dapat terjebak dalam konfigurasi tertentu dengan konsekuensi yang mencolok terhadap sifat makroskopisnya. Baik dalam sistem klasik maupun kuantum, deskripsi teoretis tentang sistem non-ergodik ini tidak lengkap. Model sederhana menunjukkan fase kompleks dengan tingkat non-ergodisitas yang berbeda-beda, namun tidak jelas seberapa banyak model tersebut mengajarkan kita tentang sistem dunia nyata. Dua tahun lalu, Alan Morningstar, sekarang di Global Quantitative Strategies di Chicago, dan rekan-rekannya mengidentifikasi beberapa mode penting dalam sistem kuantum tak homogen dan merekonsiliasi ketegangan antara prediksi teoretis dan observasi numerik. [1]. Penelitian mereka telah merangsang penyelidikan non-ergodisitas dan menghidupkan kembali upaya untuk menghubungkan kacamata kuantum dan klasik.

Pada tahun 1958, fisikawan Philip Anderson menunjukkan bahwa dalam lanskap potensial yang cukup tidak teratur, sebuah partikel kuantum tunggal seperti elektron secara spasial terlokalisasi pada wilayah kecil di dekat posisi awalnya. [2]. Bagaimana dengan banyak partikel dalam lanskap potensial yang sama? Ada kemungkinan bahwa mereka akan berpencar satu sama lain dan menyediakan rute baru untuk melarikan diri dari lokalisasi. Namun jika, terlepas dari orbitnya, sistem tersebut tetap terlokalisasi secara spasial, maka sistem tersebut dikatakan menunjukkan lokalisasi banyak benda (MBL). Sistem MBL mewakili fase materi non-ergodik. Mereka adalah isolator sempurna pada suhu di bawah nol.

Selama 70 tahun terakhir, semakin banyak karya teoretis yang menunjukkan bahwa dalam sistem satu dimensi, MBL stabil dan tahan terhadap termalisasi. Dalam dimensi yang lebih tinggi, wilayah yang jarang dan luas dengan gangguan spasial rendah mengganggu kestabilan MBL. Wilayah ini berperilaku sebagai pemandian panas yang buruk dengan panas spesifik rendah dan granularitas panas yang dapat diserapnya. Namun demikian, mereka dapat menjadi pemandian air panas yang lebih baik dengan menyeimbangkan derajat kebebasan lokal pada batas-batasnya dan menyerapnya. Hanya dalam satu dimensi proses ini (disebut longsoran kuantum) dapat dihentikan, sehingga MBL dapat stabil.

Upaya untuk mengkonfirmasi secara empiris MBL dan diagram fase dinamis yang lebih luas dari sistem kuantum yang tidak teratur telah dilanda kontroversi. Simulator kuantum dapat meniru eksperimen dinamis yang diidealkan dengan membiarkan partikel bergerak dalam potensi yang tidak teratur dan mengamati apa yang terjadi, namun hal tersebut dibatasi pada waktu yang relatif singkat. Eksperimen ini mengamati rezim mirip MBL di semua dimensi. Sebaliknya, penelitian yang akurat secara numerik tidak dibatasi oleh waktu, namun hanya oleh sejumlah kecil partikel (sekitar sepuluh partikel di 20 lokasi). Hasil yang mereka berikan bertentangan dengan gambaran teoritis sederhana mengenai dua fase: fase MBL dalam gangguan kuat dan fase ergodik dalam gangguan lemah. Belakangan, muncul perbedaan pendapat. Pada tahun 2020, Jan Šuntajs dari Jožef Stefan Institute di Slovenia dan kolaboratornya berpendapat bahwa fase MBL tidak ada; dalam sistem yang cukup besar, partikel selalu terdelokalisasi secara spasial [3].

Morningstar dan rekan-rekannya telah mengklarifikasi bagaimana temuan empiris dapat dikaitkan dengan teori. Mereka menunjukkan bahwa diagram fase memiliki tiga rezim: fase ergodik, fase MBL (di mana bahkan sistem besar tetap non-ergodik) dan, yang penting, “rezim MBL” intervensi (di mana sistem yang dapat diakses adalah sistem non-ergodik tetapi cukup besar bersifat ergodik). . Simulasi numerik menyelidiki transisi dari rezim ergodik ke rezim MBL. Dalam transisi ini, sistem numerik terlalu kecil untuk menampung gelombang buruk yang menyebabkan longsoran kuantum. Sebaliknya, transisi ditentukan oleh fisika yang sama sekali berbeda—penyebaran resonansi banyak benda [4, 5]. Sederhananya, dalam resonansi banyak benda, banyak partikel merambat di beberapa lokasi secara bergantian di antara dua konfigurasi. Resonansi menghilangkan partikel dan dapat menyebabkan delokalisasi. Di wilayah persilangan, kemungkinan terciptanya resonansi di bagian atas konfigurasi partikel terlokalisasi berubah secara dramatis, dari kejadian langka di rezim MBL menjadi kejadian umum di semua skala panjang dalam fase ergodik.

Jika sistem numerik terlalu kecil untuk menampung pemandian yang buruk, bagaimana transisi ke fase MBL yang sebenarnya dapat diselidiki? Inovasi teknis utama yang dirancang oleh Morningstar bersama dengan Dries Sels [6] dari Universitas New York, menyusun ulang kriteria longsoran kuantum: jika, setelah terhubung ke pemandian sempurna, waktu kesetimbangan bagian sistem yang terlokalisasi terlalu lama, maka pemandian yang buruk tidak mungkin memicu longsoran keseimbangan. Yang penting, waktu keseimbangan mandi yang sempurna ini dapat diukur secara numerik dan memberikan batas bawah kekuatan gangguan yang diperlukan untuk fase MBL. Morningstar dan Sels menemukan bahwa fase MBL memerlukan intensitas gangguan yang jauh lebih besar daripada yang diperkirakan sebelumnya: setidaknya 7 kali kekuatan pengembangan mode MBL dalam model yang dipelajari secara numerik.

Karena garis waktu yang relevan sangat sensitif terhadap kekuatan gangguan, hasil peneliti menunjukkan bahwa fase MBL secara fisik tidak dapat diakses. Dalam percobaan atom ultradingin yang menyelidiki MBL [7]misalnya, dinamika fase MBL dan mode MBL baru terlihat setelah sekitar 1018 detik. Lebih dari dua kali usia alam semesta!

Pekerjaan Morningstar dan rekan-rekannya serta yang lainnya telah memecahkan beberapa teka-teki tentang diagram fase dinamis dari sistem yang tidak teratur. Ke depan, karakterisasi mode MBL yang tersedia secara fisik adalah yang terpenting. Salah satu pertanyaannya adalah tentang tanda tangannya yang dinamis. Untuk ukuran besar, penelitian terbaru memperkirakan hierarki skala waktu yang besar untuk konfigurasi mikroskopis yang berbeda untuk mencapai keseimbangan termal lokal. Fitur ini mengingatkan pada kacamata klasik, jadi menjelajahi hubungan yang tepat antara kacamata ini dan MBL adalah hal yang menarik.

Aplikasi lainnya adalah memecahkan masalah optimasi. Pemecahan masalah ini dapat dilakukan dengan mencari keadaan dasar sistem banyak partikel yang tidak teratur. Algoritme kuantum heuristik yang mencari keadaan dasar tersebut mungkin melalui rezim MBL sebelum menemukannya. Dalam mode MBL, sistem melakukan terowongan antara konfigurasi resonansi; apakah akses terhadap resonansi ini akan membuat algoritma kuantum heuristik lebih cepat dibandingkan algoritma klasiknya masih harus dilihat.

Referensi

A. Morningstar dkk., “Longsoran dan resonansi banyak benda di sistem lokal banyak benda,” Phys. Mengaum. B 105, 174205 (2022). PW Anderson, Momen Lokal dan Negara Lokal, Kuliah Nobel, Hadiah Nobel Fisika (1977). J. Šuntajs dkk., “Kekacauan kuantum menantang lokalisasi banyak benda,” Phys. Mengaum. E 102, 062144 (2020). B. Villalonga dan BK Clark, “Karakterisasi transisi lokalisasi banyak benda melalui korelasi”, arXiv:2007.06586. PJD Crowley dan A. Chandran, “Sebuah teori konstruktif tentang banyak benda yang dapat diakses secara numerik yang terlokalisasi pada transisi termal,” SciPost Phys. 12 Agustus 201 (2022). D. Sels, “Delokalisasi yang disebabkan oleh mandi dalam interaksi rantai putaran yang tidak teratur,” Phys. Mengaum. B 106, L020202 (2022). J.-Y. Choi dkk., “Menyelidiki Transisi Lokalisasi Banyak Benda dalam Dua Dimensi,” Science 352, 1547 (2016).

Tentang Penulis

Anushya Chandran adalah ahli fisika benda banyak benda terkondensasi di Universitas Boston dengan minat luas dalam materi kuantum terkontrol, lokalisasi, sistem topologi, dan informasi kuantum. Ia menerima gelar B.Tech dari Madras Institut Teknologi India di bidang Teknik Elektro dan gelar PhD di bidang Fisika dari Universitas Princeton. Setelah mendapatkan posisi postdoctoral di Perimeter Institute for Theoretical Physics di Kanada, dia pindah ke Universitas Boston, di mana dia sekarang menjadi profesor madya.

Philip Crowley adalah rekan pascadoktoral yang mempelajari materi terkondensasi kuantum di Universitas Harvard. Karyanya meliputi material kuantum, dinamika kuantum, penginderaan kuantum, fisika nonequilibrium dan perturbasi, serta interaksi cahaya dan materi kuantum. Ia menerima gelar BA dari Universitas Oxford, diikuti dengan gelar PhD dari University College London dan studi pasca doktoral di Universitas Boston, Institut Teknologi Massachusetts, dan Universitas Harvard.