日常生活中反復用力總會引起發熱。互相摩擦雙手會使皮膚變暖。用錘子敲擊金屬會讓人感覺很燙。即使沒有經過正式的物理訓練。人們很快就學會了基本規則：當你繼續通過攪拌、按壓或敲打來驅動系統時，系統的溫度就會升高。
物理學家預計同樣的行為會在更小的規模上發生。在由許多相互作用的粒子組成的量子系統中，通常假設連續刺激會產生均勻的能量吸收。當能量積累時系統也會升溫。但最近的實驗表明，這種直覺並不總是適用於量子水平。
因斯布魯克大學實驗物理系 Hanns Christoph Nägerl 團隊的研究人員測試了強動力量子系統是否會不可避免地升溫。他們的答案是出乎意料的。
停止吸收能量的量子氣體
團隊創造了由高度相互作用的原子組成的一維量子液體，其冷卻至僅高於絕對零幾納開爾文。通過使用激光，它們賦予原子快速、反复打開和關閉的晶格勢。這種設置有效地創造了一個有節奏的環境，一遍又一遍地踢動原子。
在這些條件下，原子應該不斷吸收能量。就像在蹦床上持續跳躍時發生的運動一樣。相反，研究人員看到了令人驚訝的變化。經過短暫的初始階段後，原子動量的傳播停止。系統的動能停止增加並趨於平穩。
儘管原子仍然受到驅動並彼此劇烈相互作用，但它們不再吸收能量。系統已進入稱為多體動態定位 (MBDL) 的狀態。在這種狀態下，運動被鎖定在動量空間中而不是自由傳播。
“在這種狀態下，許多物體的量子相干性和糾纏會阻止系統冷卻並表現出亞穩態行為。即使在持續的外部驅動下，”Hanns Christoph Nägerl 解釋說，“動量分佈也是固定的，任何結構都保持穩定。無論什麼情況。”
一個超出預期的完美結果。
結果甚至令參與其中的科學家感到驚訝。主要作者郭彥良承認，這種行為與他們的預測相反。 “起初我們預計原子會開始四處飛行。但它們的行為卻異常有序。”
中國杭州浙江大學的理論合作者雷英回憶了當時的反應。 “這不是我們天真的期望。值得注意的是，在一個如此強驅動和高度交互的系統中，多重鏈接顯然可以阻止能量吸收。這與我們的經典直覺相矛盾，並揭示了植根於量子力學的顯著穩定性。”
Ying 還指出，使用經典計算機模擬重現這種行為極具挑戰性。 “這就是為什麼我們需要試驗。各種實驗以及我們的理論模擬。”
為什麼量子相干性很重要？
看看這種異常狀態到底有多強。研究人員通過在駕駛序列中添加隨機性來改變實驗。效果立竿見影。即使是最輕微的異常也足以破壞定位。
當一致性被破壞時，原子的行為會變得更加傳統。他們的氣勢再次蔓延開來。動能迅速增加。然後系統恢復無限制地吸收能量。 “這項測試強調，量子相干性對於此類驅動多體系統的熱保護至關重要，”納格爾說。
對未來量子技術的影響
MBDL 的發現具有超越基礎物理學的意義。防止不必要的熱量是開發量子模擬器和量子計算機的最大挑戰之一。這些設備依賴於維持微妙的量子態，這種量子態很容易因能量積累和碎片而丟失。
郭說：“這個實驗提供了一種精確且高度可定制的方法來探索量子系統如何抵抗混沌的拉力，”該實驗表明在適當的條件下可以完全停止加熱。這一發現挑戰了長期以來關於動力量子物質行為的假設。
這項研究開闢了一條新的途徑來理解量子系統如何在被推離平衡的情況下保持穩定性。
研究發表於 科學 並獲得了奧地利科學基金FWF、奧地利研究促進機構FFG和歐盟等機構的資助。
