Poniendo a prueba una nueva teoría de los sistemas cuánticos de partículas múltiples

Nuevos experimentos que utilizan gases atrapados unidimensionales (átomos enfriados a las temperaturas más frías del universo y confinados de modo que solo pueden moverse en una línea) se ajustan a las predicciones de la teoría recientemente desarrollada de la «hidrodinámica generalizada». La mecánica cuántica es necesaria para describir las nuevas propiedades de estos gases. Lograr una mejor comprensión de cómo estos sistemas que contienen muchas partículas evolucionan con el tiempo es uno de los límites de la física cuántica. El resultado podría simplificar enormemente el estudio de los sistemas cuánticos que se han excitado fuera del equilibrio. Además de su importancia fundamental, puede ayudar al desarrollo de tecnologías cuánticas, que incluyen computadoras y simulaciones cuánticas, comunicaciones cuánticas y sensores cuánticos. Un artículo que describe experimentos realizados por un equipo dirigido por físicos en Pensilvania aparece el 2 de septiembre de 2021 en la revista. Ciencias.

incluso por dentro física clásicaDonde complicaciones adicionales Mecánica cuántica Puede ignorarse, es imposible simular el movimiento de todos los átomos en un fluido en movimiento. Para aproximar estos sistemas de partículas, los físicos los usan Hidrodinámica descripciones.

«La idea básica detrás de la hidrodinámica es olvidarse de los átomos y considerar el líquido como un continuo», dijo Marcus Regol, profesor de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. «Para simular el fluido, terminamos escribiendo ecuaciones acopladas que resultan de imponer algunas restricciones, como la conservación de la masa y la energía. Estos son los mismos tipos de ecuaciones que se han resuelto, por ejemplo, para simular cómo fluye el aire cuando las ventanas se abren para mejorar la ventilación de una habitación «.

La materia se vuelve más compleja si está involucrada la mecánica cuántica, como cuando se quiere simular sistemas cuánticos de múltiples cuerpos fuera de equilibrio.

dijo David Weiss, profesor distinguido de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. «Solía ​​ser que, salvo los extremos, no se podían hacer cálculos matemáticos para describir los sistemas cuánticos múltiples del cuerpo fuera de equilibrio. Eso ha cambiado recientemente».

El cambio fue impulsado por el desarrollo de un marco teórico conocido como hidrodinámica generalizada.

«El problema con estos sistemas cuánticos de múltiples cuerpos en una dimensión es que tienen tantas limitaciones en su movimiento que no se pueden utilizar descripciones hidrodinámicas normales», dijo Rigol. «La hidrodinámica generalizada se desarrolló para rastrear todas estas limitaciones».

Hasta ahora, la hidrodinámica generalizada solo se ha probado experimentalmente en condiciones en las que la fuerza de las interacciones entre partículas es débil.

«Nos propusimos probar la teoría más a fondo, observando la dinámica de gases unidimensionales con una amplia gama de fuerzas de interacción», dijo Weiss. “Los experimentos están muy bien controlados, por lo que los resultados se pueden comparar con precisión con las predicciones de esta teoría.

El equipo de investigación utiliza gases unidimensionales de átomos que interactúan inicialmente atrapados en una trampa muy poco profunda en equilibrio. Luego, de repente, aumentaron la profundidad de la trampa en 100 veces, lo que obligó a las partículas a colapsar en el centro de la trampa, lo que provocó que sus propiedades colectivas cambiaran. Durante el colapso, el equipo midió con precisión sus propiedades, que luego pueden comparar con las predicciones de la hidrodinámica generalizada.

«Nuestras mediciones coincidieron con las predicciones de la teoría en docenas de oscilaciones de trampa», dijo Weiss. «Actualmente no hay otras formas de estudiar sistemas cuánticos que no están en equilibrio durante largos períodos de tiempo con una precisión razonable, especialmente con muchas partículas. La hidrodinámica generalizada nos permite hacer esto para algunos sistemas como el que probamos, pero su aplicabilidad general queda por determinar «.