Forskare vid University of Innsbruck har upptäckt att en starkt interagera kvantgas kan sluta absorbera energi när den upprepat drivs av lasimpulser, och inträder i ett stabilt tillstånd kallat many-body dynamical localization. Detta utmanar klassiska förväntningar på oundviklig uppvärmning i drivna system. Upptäckten belyser kvantkoherensens roll i att upprätthålla ordning mitt i konstant påtvingan.
Forskare i Hanns Christoph Nägerls grupp vid University of Innsbrucks avdelning för experimentell fysik genomförde ett experiment med en endimensionell kvantvätska bestående av starkt interagera atomer kylda till bara några nanokelvin över absolut nollpunkt. De applicerade laserljus för att skapa ett gitterpotential som snabbt slogs på och av, vilket effektivt sparkade atomerna upprepat. Initialt absorberade atomerna energi som förväntat, men efter en kort period frös deras rörelsemängdsfördelning och absorptionen av kinetisk energi upphörde. Systemet nådde ett tillstånd av many-body dynamical localization (MBDL), där kvantkoherens och many-body-entanglement förhindrade thermalisering och diffusivt beteende trots pågående interaktioner och drivning. „I detta tillstånd förhindrar kvantkoherens och many-body-entanglement systemet från att thermaliseras och visa diffusivt beteende, även under ihållande extern drivning“, förklarade Nägerl. „Rörelsemängdsfördelningen fryser i princip och behåller den struktur den har.“ Huvudförfattaren Yanliang Guo noterade den oväntade ordningen: „Vi förväntade oss initialt att atomerna skulle börja flyga runt överallt. Istället betedde de sig på ett förvånansvärt ordnat sätt.“ Teoretiska samarbetaren Lei Ying från Zhejiang University betonade det kontraintuitiva resultatet: „Detta är inte vår naiva förväntan. Det slående är att i ett starkt drivet och starkt interagera system kan many-body-koherens uppenbarligen stoppa energianabsorption. Detta går emot vår klassiska intuition och avslöjar en remarkabel stabilitet rotad i kvantmekanik.“ För att testa robustheten införde teamet slumpmässighet i drivsekvensen, vilket snabbt störde lokaliseringen. Rörelsemängds-spridningen återupptogs och energianabsorptionen ökade obegränsat, vilket understryker kvantkoherensens essentiella roll. Denna upptäckt, publicerad i Science (2025; 389 (6761): 716), har potentiella implikationer för kvantteknologier. Att förhindra uppvärmning förblir en nyckeltalang för kvantsimulatorer och kvantdatorer, som beror på att bevara känsliga tillstånd mot dekoherens. „Detta experiment ger ett precist och högt justerbart sätt att utforska hur kvantsystem kan motstå kaosets drag“, sade Guo. Arbetet stöddes av Austrian Science Fund FWF, Austrian Research Promotion Agency FFG och Europeiska unionen.