量子震动

这就是他们在量子领域的奇景:加州大学圣巴巴拉分校的本科生亚历克·曹和他在大卫·维尔德原子物理小组的同事们在光学阱中操作的超低温锂原子。这些原子以规则的晶格形式被激光控制，并在能量脉冲的“驱动”下，做着疯狂的事情。

“这有点奇怪，”Weld说。“原子会被泵往一个方向。有时它们会被泵向另一个方向。有时它们会分裂，形成类似DNA的结构。”

这些新的和意想不到的行为是由Cao、Weld和同事们进行的一项实验的结果，该实验旨在拓展我们对量子世界的知识边界。结果呢?动态量子工程领域的新方向，以及通向经典物理学和量子物理学之间的诱人路径。

他们的研究发表在《物理评论研究》杂志上。

“当你摇动一个量子系统时，会发生很多有趣的事情，”Weld说，他的实验室创造了“人工固体”——光和低温原子的低维晶格——来模拟在更密集的真实固体中量子力学粒子在受到驱动力作用时的行为。最近的实验是一系列可追溯到1929年的推理的最新成果，当时物理学家、诺贝尔奖得主费利克斯·布洛赫(Felix Bloch)首次预测，在周期量子结构的范围内，一个量子粒子在恒定力的作用下会出现振荡。

维尔德说:“它们实际上来回晃动，这是物质波动特性的结果。”虽然这些位置-空间布洛赫振荡在近一个世纪前就被预测到了，但直接观测到的时间却相对较晚;事实上，威尔德的团队是在2018年第一个发现它们的，他们采用了一种方法，使这些通常快速、无穷小的裂缝变得又大又慢，而且很容易看到。

十年前，其他实验给布洛赫振荡系统增加了时间依赖性，使其受到额外的周期性力的作用，结果发现其活动更加剧烈。振荡之上的振荡——超级布洛克振荡——被发现了。

在这项研究中，研究人员通过改变这些原子相互作用的空间，将该系统向前推进了一步。

“我们实际上改变了晶格，”Weld说，通过改变激光强度和外部磁力，不仅增加了时间依赖性，而且使晶格弯曲，创造了一个非均匀力场。他补充说，他们创造大而慢的振荡的方法，“给了我们一个机会去观察在非均匀环境中有一个Bloch振荡系统会发生什么。”

这就是事情变得奇怪的时候。原子来回运动，有时分散开来，有时在能量脉冲以不同方式推动晶格时产生图案。

“如果我们努力的话，我们可以用数字跟上他们的进度，”Weld说。“但很难理解他们为什么只做一件事而不做另一件。”

这篇论文的第一作者曹的见解，为解释这种奇怪的行为找到了一种方法。

曹说:“当我们同时研究所有时间的动力学时，我们只是看到了一个混乱的局面，因为根本没有对称性，这使得解释这个物理学具有挑战性。”他现在是UCSB创新研究学院的大四学生。

为了描绘出对称性，研究人员利用一种被称为庞加莱剖面的数学技术，通过消除一个维度(在这个例子中是时间)来简化这个看似混乱的行为。这种数学技术最初是用来观察经典非线性动力学的。

曹说:“在我们的实验中，时间间隔是由我们如何在时间上周期性地修改晶格来设定的。”“当我们抛开所有‘中间’时间，观察每个周期的行为时，轨迹的形状中就出现了结构和美，因为我们正确地尊重了物理系统的对称性。只在基于这个时间间隔的周期中观察这个系统，就能得到一些类似于这些原子复杂而循环运动的定格表示。

威尔德补充说:“亚历克认为，这些路径——这些庞加莱轨道——确切地告诉我们，为什么在某些驱动原子的状态下会被抽运，而在另一些驱动原子的状态下会扩散并破坏波函数。”他说，研究人员从这里可以采取的一个方向是，利用这些知识来设计量子系统，使其通过驾驶产生新的行为，并应用于诸如拓扑量子计算等新兴领域。

“但我们可以采取的另一个方向是，当我们开始做一些事情时，比如向这样一个驱动系统添加交互作用，我们是否可以研究量子混沌的出现，”Weld说。

这是一个不小的壮举。几十年来，物理学家一直在努力寻找经典物理学和量子物理学之间的联系——这是一种常见的数学，可以解释一个领域中似乎在另一个领域中没有类比的概念，比如经典混沌，这种语言在量子力学中并不存在。

维尔德说:“你可能听说过蝴蝶效应——一只蝴蝶在加勒比地区扇动翅膀可以在世界各地引发台风。”这实际上是经典混沌系统的一个特征，它对初始条件有敏感的依赖性。这一特征实际上很难在量子系统中重现——在量子系统中提出同样的解释令人困惑。所以这可能是该研究的一小部分。”