一个打破加热规律的量子新发现

物理学家原本认为，在更小尺度上，由众多相互作用粒子构成的量子系统在持续激发下会稳定吸收能量并升温。但最近一项实验表明，这种直觉在量子层面并非总是成立。因斯布鲁克大学实验物理系的汉纳斯·克里斯托夫·内格尔团队测试强驱动量子系统是否必然升温，结果出人意料。该团队制备了由强相互作用原子构成的一维量子流体，将其冷却至仅比绝对零度高几纳开尔文，并用激光使原子处于快速反复开关的晶格势场中，营造出规律脉冲环境不断“踢”原子。按常规，原子应持续吸收能量，就像人在蹦床上不断跳跃会累积运动幅度。但研究人员发现，初期短暂时间后，原子动量扩散停止，动能不再增加并趋于稳定。尽管原子仍受驱动且强相互作用，却不再吸收能量，系统进入多体动力学局域化（MBDL）状态，运动被锁定在动量空间而非自由扩散。内格尔解释：“此状态下，量子相干性和多体纠缠阻止系统热化及扩散行为，动量分布基本冻结并保留原有结构。”这一结果令科学家惊讶，第一作者郭彦良称：“我们原以为原子会四处飞散，实际却异常有序。”中国浙江大学理论合作者雷颖也表示：“这与朴素预期不符，强驱动强相互作用系统中多体相干性能阻止能量吸收，违背经典直觉，揭示量子力学带来的显著稳定性。”他还指出，经典计算机模拟重现此行为极具挑战，实验与理论模拟相辅相成。为测试该特殊状态的稳定性，研究人员在驱动序列中加入随机性，结果少量无序即破坏局域化。相干性被破坏后，原子动量重新扩散，动能骤增，系统恢复无限制吸热。内格尔称：“测试突显量子相干性对防止驱动多体系统热化的关键作用。”多体动力学局域化的发现意义远超基础物理，防止不必要升温是量子模拟器和量子计算机发展的重大挑战，这些设备依赖维持脆弱量子态，而能量积累和退相干易导致其丢失。郭彦良表示：“实验为探索量子系统抵抗混沌提供精确可调方法。”研究表明适当条件下升温可完全停止，挑战了对驱动量子物质行为的长期假设，为理解量子系统远离平衡时的稳定性开辟新路径。该研究发表于《科学》杂志，获奥地利科学基金、奥地利研究促进局及欧盟等资助。