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(xué)自旋鏈相結(jié)合。圖片來(lái)源：馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所

微觀(guān)量子磁體的行為長(zhǎng)期以來(lái)一直是理論物理學(xué)講座中教授的一門(mén)學(xué)科。然而，到目前為止，調(diào)查那些遠(yuǎn)遠(yuǎn)失衡的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)并觀(guān)察它們的“實(shí)時(shí)”一直很困難。現(xiàn)在，位于加興的馬克斯·普朗克量子光學(xué)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(xiàng)工作。有了這個(gè)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(gè)原子都是可見(jiàn)的。對(duì)自旋線(xiàn)性鏈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它們的取向傳播方式對(duì)應(yīng)于所謂的Kardar-Parisi-Zhang超擴(kuò)散。這證實(shí)了最近從理論考慮中出現(xiàn)的一個(gè)猜想。

圍繞Johannes Zeiher博士和Immanuel Bloch教授的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)將目光投向了其他人幾乎從未見(jiàn)過(guò)的物體。位于Garching的馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所（MPQ）的研究人員使用所謂的量子氣體顯微鏡來(lái)追蹤量子物理學(xué)微小尺度上的過(guò)程。這種儀器允許在原子和激光的幫助下，專(zhuān)門(mén)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(shí)驗(yàn)中，研究人員還關(guān)注傳輸現(xiàn)象 —— 量子物體在特定外部條件下如何移動(dòng)。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)取得了一個(gè)令人驚訝的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。研究人員能夠證明，自旋的一維輸運(yùn) – 術(shù)語(yǔ)“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(lèi)似于宏觀(guān)現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，量子領(lǐng)域和日常世界的過(guò)程有很大的不同。“但我們的工作揭示了冷原子中的量子力學(xué)自旋系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)（如細(xì)菌菌落生長(zhǎng)或野火蔓延）之間的有趣聯(lián)系，”MPQ量子多體系統(tǒng)部門(mén)組長(zhǎng)Johannes Zeiher說(shuō)?！斑@一發(fā)現(xiàn)是完全出乎意料的，并指出了非平衡物理學(xué)領(lǐng)域的深層聯(lián)系，這種聯(lián)系仍然知之甚少。

物理學(xué)家將量子和經(jīng)典系統(tǒng)中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)之間的這種理論類(lèi)比稱(chēng)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(xué)中得知。

告訴指數(shù)

為了在顯微鏡下觀(guān)察這種現(xiàn)象，Garching團(tuán)隊(duì)首先將一團(tuán)原子冷卻到接近絕對(duì)零度的溫度。這樣，可以排除由于熱量引起的運(yùn)動(dòng)。然后，他們將超冷原子鎖定在一個(gè)特殊形成的“箱形”電位中，該電位由微小的鏡子排列形成。“我們用它來(lái)研究50個(gè)線(xiàn)性排列的自旋鏈中單個(gè)磁疇壁的弛豫，”Johannes Zeiher小組的研究員David Wei解釋說(shuō)。域壁將相鄰自旋方向相同的區(qū)域彼此分隔開(kāi)來(lái)。研究人員首先使用一種新技巧為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建了域壁，通過(guò)投射光產(chǎn)生“有效磁場(chǎng)”。通過(guò)這樣做，研究人員可以強(qiáng)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(kāi)并且事實(shí)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(xué)上描述，”Wei說(shuō) – 暗示了與KPZ普遍性的聯(lián)系。當(dāng)研究人員檢測(cè)到單個(gè)自旋的運(yùn)動(dòng)時(shí)，提供了這種關(guān)系的進(jìn)一步證據(jù)，這是通過(guò)量子氣體顯微鏡揭示的。

“這種高精度是詳細(xì)統(tǒng)計(jì)評(píng)估的基礎(chǔ)，”Zeiher說(shuō)?！袄?，我們的實(shí)驗(yàn)顯示的自旋擴(kuò)散的驚人過(guò)程在其數(shù)學(xué)形式上近似對(duì)應(yīng)于桌布上咖啡漬的擴(kuò)散，”馬克斯普朗克物理學(xué)家解釋說(shuō)。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(shè)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)仍然缺乏。

一個(gè)古老的模型讓物理學(xué)家感到驚訝

對(duì)于量子力學(xué)自旋現(xiàn)象的描述，物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)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(gè)模型中從理論上描述）?！拔覀兊难芯拷Y(jié)果表明，即使在既定的理論框架內(nèi)，令人驚訝的新見(jiàn)解仍然是可能的，”Johannes Zeiher強(qiáng)調(diào)說(shuō)?！八鼈冏C明了理論和實(shí)驗(yàn)如何在物理學(xué)中相互施肥。

Garching團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在取得的成果不僅具有學(xué)術(shù)價(jià)值。它們還可用于有形的技術(shù)應(yīng)用。例如，自旋也構(gòu)成了某些形式的量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。了解信息載體的傳輸特性對(duì)于實(shí)際實(shí)現(xiàn)這種新穎的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。