多体局域系统中量子雪崩的实验观察

强相关系统是由彼此强烈相互作用的粒子组成的系统，其个体行为取决于系统中所有其他粒子的行为。在远离平衡的状态下，这些系统有时会产生引人入胜且意想不到的物理现象，例如多体定位。

当由相互作用的粒子组成的系统即使在高温下也无法达到热平衡时，就会发生多体定位。因此，在多体局域系统中，即使有大量能量流过粒子，粒子也会长时间处于非平衡状态。

理论预测表明，多体定域相的不稳定性是由强相互作用系统中充当浴池的小热包裹体引起的。这些内含物通过一种称为雪崩传播的机制促使整个系统离域。

哈佛大学MarkusGreiner小组的研究人员最近进行了一项研究，探索这种引人入胜但迄今为止实验难以捉摸的机制。他们的研究发表在《自然物理学》上，导致了对多体局部系统中量子雪崩发生的首次实验观察。

进行这项研究的研究人员之一朱利安·莱昂纳德(JulianLéonard)对Phys.org说：“粒子是继续局限在无序势中，还是扩散开来，这是一个困扰物理学家数十年的长期问题。”“这个问题很重要，因为在材料中，定位与电子传输有关，因此了解粒子定位时的条件将告诉我们为什么某些材料是绝缘体或导体。”

粒子的定位是一种量子力学效应，因为它依赖于电子的波动性和纠缠机制(即粒子(在本例中为电子)变得高度相关的量子力学过程)。更好地了解定位是物理学界的一个关键目标，因为它可以极大地为研究和技术开发提供信息。

首先，完美定位是一个有趣的研究课题，因为它与热力学相矛盾，热力学是最著名和最完善的物理学理论之一。其次，具有完美定域粒子的系统将能够更长时间地存储量子信息，因此了解其潜在机制可以推动量子技术的发展，尤其是量子存储器。

“这些所谓的量子存储器是量子计算和通信协议所必需的，”莱昂纳德说。“包括我们在内的几个研究小组之前已经发现相互作用的粒子确实可以定位，并且人们普遍认为这种定位应该无限期地盛行。然而，最近对定位的稳健性进行了辩论，特别是如果这种疾病是在系统的某个地方弱了一点。这足以破坏本地化吗?

Léonard和他的同事最近进行的一项研究的主要目标是仔细检查本地化及其稳健性。过去的理论计算预测，定位可能会在复杂而迷人的场景中被破坏。

具体来说，理论家预测，在适当的条件下，弱无序区域中的粒子可以迅速转移到系统的强无序部分，使其离域。这种现象被称为量子雪崩，因为它可以看作是局部粒子波向这个离域区域移动，迅速加速并使整个系统离域，类似于雪崩。

“对我们来说，挑战在于在实验室中通过实验实现这样一个系统，”莱昂纳德说。“为此，我们将冷原子置于由精确形状的激光束构建的势能中。势能的一部分是无序的，另一部分是无序的。然后我们等着看这两个区域如何随着时间的推移相互作用，并测量粒子扩散的距离。对于冷原子，这可以通过用光学显微镜观察它们来非常好地完成。”

有趣的是，莱昂纳德和他的同事发现，最初他们系统无序部分的粒子会定位。然而，逐渐地，来自非无序区域的粒子开始以越来越快的速度扩散到无序区域，正如理论预测所表明的那样。

这些观察结果表明，他们首次在实验环境中成功探测到了量子雪崩的发生。值得注意的是，这可能意味着本地化并不像以前认为的那样强大，并且可能不会持续很长时间。这些有趣的发现可能很快会激发新的实验，旨在进一步探索量子雪崩并评估强相互作用多体系统中定位的稳健性。

“我们的实验标志着量子雪崩的发现，但它们只是探索其特性的开始，”莱昂纳德补充道。“许多问题仍然悬而未决，特别是这些雪崩在什么条件下发生，它们出现的频率如何，以及是否有办法阻止它们的传播。这些因素最终将决定本地化是否总是不稳定，或者只是在某些条件下。我们目前致力于实现具有更多原子的系统，可以更详细地研究这些问题。”