牛顿摆帮助美国研究人员深入理解量子热化

　　美国斯坦福大学研究人员利用量子形式的牛顿摆研究量子粒子的混沌运动如何最终导致热平衡。研究人员利用基于激光的牛顿摆观察到在引入少量混沌运动之后，量子系统如何达到热平衡。

副教授Benjamin Lev和他的研究团队受到被称为“牛顿摆”的玩具在量子系统研究中的启发。图片来源：L.A. Cicero/斯坦福大学。

　　斯坦福大学的研究人员创造了一种具有强磁偶极子，即偶极相互作用的一维玻色气体。激光束通过气密室照射以将气体冷却至接近绝对零度，然后将气体原子装入一排激光管中，作为牛顿摆的结构。该团队制造的700个平行牛顿摆中每个都包含有大约50个原子。研究人员用激光束“击打”原子，使其开始进行牛顿摆的运动。波色气体具有强磁性并且可调谐。通过调整气体原子之间的相互作用，研究人员能够制造混沌运动。通过大量计算机模拟证实的实验结果表明，牛顿摆的振荡以两步顺序达到平衡：预热化和接近指数的热化。

　　Benjamin Lev教授表示：“这意味着我们能够以一个非常普遍而且简单的理论来解释这种复杂的量子系统是如何热化的，这很简洁，因为它还能够应用于其他系统。”研究人员为磁性量子牛顿摆设计了其他几项实验，并且随着量子工程的发展，他们预计有更多的机会来完成这项工作。研究员Yijun Tang表示：“非常复杂的激光技术能够通过原子操控系统，也许在今后的某个时候，我们可以将这些技术变成更实用的东西。”在接下来的实验中，研究人员可能会以散斑激光的形式给牛顿摆的光管增加混沌作用，观察是否能够制造出一种逃避热化的量子玻璃。

　　该研究发表于《物理评论X》。