Kardar-Parisi-Zhang的普遍性以一種令人驚訝的方式將經(jīng)典的日常現(xiàn)象（如咖啡漬）與量子力學自旋鏈相結合。圖片來源：馬克斯·普朗克量子光學研究所

微觀量子磁體的行為長期以來一直是理論物理學講座中教授的一門學科。然而，到目前為止，調(diào)查那些遠遠失衡的系統(tǒng)動態(tài)并觀察它們的“實時”一直很困難。現(xiàn)在，位于加興的馬克斯·普朗克量子光學研究所的研究人員已經(jīng)使用量子氣體顯微鏡完成了這項工作。有了這個工具，量子系統(tǒng)可以縱，然后以如此高的分辨率成像，甚至單個原子都是可見的。對自旋線性鏈的實驗結果表明，它們的取向傳播方式對應于所謂的Kardar-Parisi-Zhang超擴散。這證實了最近從理論考慮中出現(xiàn)的一個猜想。

圍繞Johannes Zeiher博士和Immanuel Bloch教授的物理學家團隊將目光投向了其他人幾乎從未見過的物體。位于Garching的馬克斯普朗克量子光學研究所（MPQ）的研究人員使用所謂的量子氣體顯微鏡來追蹤量子物理學微小尺度上的過程。這種儀器允許在原子和激光的幫助下，專門創(chuàng)建具有所需性質(zhì)的量子系統(tǒng)，并以高分辨率研究它們。在這些實驗中，研究人員還關注傳輸現(xiàn)象 —— 量子物體在特定外部條件下如何移動。

該團隊現(xiàn)在已經(jīng)取得了一個令人驚訝的實驗發(fā)現(xiàn)。研究人員能夠證明，自旋的一維輸運 – 術語“自旋”代表原子和其他粒子的特定磁性量子特性 – 在某些區(qū)域類似于宏觀現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，量子領域和日常世界的過程有很大的不同?！暗覀兊墓ぷ鹘沂玖死湓又械牧孔恿W自旋系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)（如細菌菌落生長或野火蔓延）之間的有趣聯(lián)系，”MPQ量子多體系統(tǒng)部門組長Johannes Zeiher說?！斑@一發(fā)現(xiàn)是完全出乎意料的，并指出了非平衡物理學領域的深層聯(lián)系，這種聯(lián)系仍然知之甚少。

物理學家將量子和經(jīng)典系統(tǒng)中隨機運動之間的這種理論類比稱為“普遍性”。在這種特定情況下，它是Kardar-Parisi-Zhang普遍性（KPZ）——這種現(xiàn)象以前只從經(jīng)典物理學中得知。

告訴指數(shù)

為了在顯微鏡下觀察這種現(xiàn)象，Garching團隊首先將一團原子冷卻到接近絕對零度的溫度。這樣，可以排除由于熱量引起的運動。然后，他們將超冷原子鎖定在一個特殊形成的“箱形”電位中，該電位由微小的鏡子排列形成?！拔覀冇盟鼇硌芯?0個線性排列的自旋鏈中單個磁疇壁的弛豫，”Johannes Zeiher小組的研究員David Wei解釋說。域壁將相鄰自旋方向相同的區(qū)域彼此分隔開來。研究人員首先使用一種新技巧為實驗創(chuàng)建了域壁，通過投射光產(chǎn)生“有效磁場”。通過這樣做，研究人員可以強烈抑制自旋之間的耦合，有效地將它們“鎖定”到位。

自旋鏈內(nèi)的松弛發(fā)生在自旋之間的耦合以受控方式打開并且事實證明遵循特征模式之后?！斑@可以用指數(shù)為3/2的冪律在數(shù)學上描述，”Wei說 – 暗示了與KPZ普遍性的聯(lián)系。當研究人員檢測到單個自旋的運動時，提供了這種關系的進一步證據(jù)，這是通過量子氣體顯微鏡揭示的。

“這種高精度是詳細統(tǒng)計評估的基礎，”Zeiher說?！袄纾覀兊膶嶒烇@示的自旋擴散的驚人過程在其數(shù)學形式上近似對應于桌布上咖啡漬的擴散，”馬克斯普朗克物理學家解釋說。大約兩年前，一組理論家根據(jù)理論考慮，懷疑可能存在這種驚人的聯(lián)系。然而，這一假設的實驗證實仍然缺乏。

一個古老的模型讓物理學家感到驚訝

對于量子力學自旋現(xiàn)象的描述，物理學家長期以來一直非常成功地使用所謂的海森堡模型（但直到最近，自旋傳輸現(xiàn)象才能在這個模型中從理論上描述）?！拔覀兊难芯拷Y果表明，即使在既定的理論框架內(nèi)，令人驚訝的新見解仍然是可能的，”Johannes Zeiher強調(diào)說?！八鼈冏C明了理論和實驗如何在物理學中相互施肥。

Garching團隊現(xiàn)在取得的成果不僅具有學術價值。它們還可用于有形的技術應用。例如，自旋也構成了某些形式的量子計算機的基礎。了解信息載體的傳輸特性對于實際實現(xiàn)這種新穎的計算機體系結構至關重要。

該研究發(fā)表在《科學》雜志上。