Als je denkt zo langzamerhand wel de eigenaardigheden van de kwantumwereld te kennen, komen kwantumwetenschappers weer met andere ‘gekkigheden’ in de kwantumwereld die verstand doen knarsen. Nu schijnen onderzoekers een kwantumvloeistof gecreëerd te hebben dat zich niet laat opwarmen als je daar energie aan toevoegt. Het moet niet nog gekker worden!Materiaal waar je energie aan toevoegt, door het te zagen of er een vlammetje bij te houden, warmt op. Dat is een keihard ervaringsfeit. Dat geldt echter niet voor de kwantumwereld. Onderzoekers rond Hanns-Christian Nägerl van de universiteit van Innsbruck probeerden een eendimensionale (???) kwantumvloeistof van een paar graden boven het abolute nulpunt (0 K = -273°C) op te warmen; een soort periodiek ‘landschap’, gecreëerd door laserlicht.
Onder dergelijke omstandigheden zou je verwachten dat de atomen in de loop van de tijd collectief energie absorberen. De onderzoekers in Innsbruck zagen echter iets anders. Na een korte beginfase stopte de impulsverdeling van de atomen met uitzetten en stagneerde de kinetische energie van het systeem.
Hoewel het systeem continu werd bewogen en er sterke interacties plaatsvonden, absorbeerde het geen energie meer. Het had zich gelokaliseerd in de impulsruimte, een buitengewoon fenomeen dat bekendstaat als veellichaamsdynamische lokalisatie (MBDL). “In deze toestand voorkomen kwantumcoherentie en veellichaamsverstrengeling dat het systeem opwarmt en de deeltjes diffunderen, zelfs als het systeem extern wordt aangestuurd”, zegt Nägerl. “De impulsverdeling bevriest in wezen en behoudt zijn structuur.”

Medeonderzoekers Yanliang Guo, de hoofdauteur van de studie, blijft verbaasd: “We verwachtten oorspronkelijk dat de atomen wild rond zouden vliegen. In plaats daarvan gedroegen ze zich verrassend ordelijk.” Lei Ying, theoreticus aan de Zhejing Universiteit in Hangzhou, China, deelt zijn verbazing: “Dit komt niet overeen met onze naïeve verwachtingen. Wat opvalt, is dat in een sterk aangestuurd en sterk interacterend systeem, veeldeeltjescoherentie blijkbaar de absorptie van energie kan stoppen.”
“Dit weerspreekt onze klassieke intuïtie en onthult een verrassende stabiliteit die geworteld is in de kwantummechanica.” Ying voegt eraan toe dat het simuleren van zo’n ogenschijnlijk eenvoudig systeem op een klassieke computer een enorme uitdaging is. “Daarom hebben we experimenten nodig. Ze gaan hand in hand met onze theoretische simulaties.”

Om de kwetsbaarheid van dit fenomeen te testen, varieerden de onderzoekers willekeurig de laserpulsen die het systeem aanstuurden. Zelfs een relatief kleine hoeveelheid wanorde was voldoende om het lokalisatie-effect op te lossen en het systeem weer te laten diffunderen: de impulsverdeling vervaagde, de kinetische energie nam sterk toe en het systeem absorbeerde continu energie. “Deze test toont aan dat kwantumcoherentie opwarming in dergelijke aangedreven veeldeeltjessystemen voorkomt”, aldus Nägerl.

Niet alleen fundamenteel

De nieuwe bevindingen zijn niet alleen van fundamenteel belang. Begrijpen hoe kwantumsystemen aan opwarming ontsnappen, is een belangrijke stap in de ontwikkeling van betere kwantumtechnologieën, zoals kwantumsimulatoren en kwantumcomputers, waarvoor ongecontroleerde opwarming en decoherentie grote problemen vormen. “Dit experiment biedt een nauwkeurige en zeer instelbare methode om te onderzoeken hoe kwantumsystemen de invloed van chaos kunnen weerstaan”, aldus Guo.

Bron: idw-online.de

[arXiv: https://arxiv.org/abs/2312.13880]