A jednak da się zbudować układ, który przy ciągłym, mocnym pobudzaniu… uparcie nie chce się rozgrzać. I co ważniejsze: nie chodzi tu o sprytną sztuczkę z izolacją termiczną, tylko o efekt wynikający wprost z koherencji i splątania.
Układ, który przestaje chłonąć energię
W doświadczeniu z ultrazimnymi atomami badacze obserwowali zjawisko, w którym rozkład pędów przestaje się rozszerzać. Na początku wszystko wygląda normalnie: seria impulsów dodaje energii, układ reaguje, struktura w przestrzeni pędów zmienia się. Po krótkiej fazie przejściowej dzieje się jednak coś dziwnie uporządkowanego: wzrost energii kinetycznej zatrzymuje się, a rozkład pędu jakby zastyga.
Ten stan nazwano many-body dynamical localization, w skrócie MBDL. Najprościej mówiąc: mimo że układ dostaje kolejne kopniaki, przestaje je efektywnie zamieniać na coraz większy chaos ruchu. To nie jest chwilowy kaprys, tylko stabilny reżim, który utrzymuje się nawet przy silnych oddziaływaniach pomiędzy cząstkami.
Dlaczego to nie działa zgodnie z intuicją?
Ciągłe pobudzanie prowadzi do rozpraszania energii po coraz większej liczbie stopni swobody, a więc do termalizacji i rozgrzewania. W świecie kwantowym istnieje jednak model, który od dawna działa jak test granicy między porządkiem a chaosem: tzw. kopany rotor. W jego kwantowej wersji interferencja potrafi zablokować dalszą absorpcję energii, co prowadzi do lokalizacji w przestrzeni pędów.
Przez lata spór dotyczył tego, co stanie się, gdy dołożymy do układu realny, trudny składnik: oddziaływania między wieloma cząstkami. Popularny scenariusz brzmiał: interakcje w końcu rozbiją lokalizację, bo pojawią się kanały wymiany energii i rozmywania fazy. Nowy wynik jest o tyle mocny, że pokazuje MBDL właśnie w układzie wielu silnie oddziałujących bozonów w jednym wymiarze.
To ważne rozróżnienie, bo 1D bywa światem specjalnym: ograniczona geometria wzmacnia kwantowe korelacje i potrafi utrudniać chaotyczne mieszanie. Z drugiej strony to właśnie takie układy najczęściej są dziś laboratorium do badania dynamiki poza równowagą, bo dają się świetnie kontrolować.
Jak wyglądało doświadczenie w praktyce?
W eksperymencie wykorzystano atomy cezu uwięzione w optycznej strukturze tworzącej tysiące wąskich, rurowych pułapek. W każdej z nich znalazła się niewielka liczba atomów, schłodzonych do temperatur rzędu pojedynczych nanokelwinów. Następnie układ był okresowo pobudzany impulsami laserowymi, które działały jak regularne kopnięcia. Liczbę impulsów zwiększano aż do ponad tysiąca.
Kluczowa była możliwość strojenia oddziaływań między atomami, m.in. polem magnetycznym. Dzięki temu porównywano scenariusze od niemal nieoddziałującego gazu po reżimy silnie skorelowane. Wynik nie był prostą kopią zachowania dla pojedynczej cząstki: przy słabych oddziaływaniach lokalizacja pojawiała się szybciej, a przy silnych wymagała większej liczby kopnięć, ale ostatecznie również się utrzymywała.
Pomiar opierał się na klasycznej w ultrazimnych gazach metodzie czasu przelotu: uwalnia się atomy i obserwuje, jak rozlatują się po ustalonym czasie. Z tego można odtworzyć rozkład pędu i zobaczyć, czy układ wciąż rozlewa energię na coraz wyższe stany pędu, czy też zatrzymuje się na pewnym zestawie wartości.
Wystarczy odrobina losowości, żeby wszystko popsuć
Najciekawsze jest to, jak delikatna bywa ta uporczywa stabilność. Gdy do sekwencji kopnięć wprowadzono losowość, efekt lokalizacji szybko znikał: rozkład pędu rozmywał się, energia zaczynała rosnąć bez wyraźnego nasycenia, a układ wracał na tory dyfuzji i termalizacji.
To wskazuje, że sednem MBDL nie jest samo pobudzanie, tylko jego koherentny charakter. Regularność impulsów pozwala budować interferencję, która w pewnym sensie zamyka drogę do dalszego pompowania energii. W wersji losowej te delikatne zależności fazowe przestają się składać i pojawia się to, co intuicja podpowiadała od początku: niekontrolowane grzanie.
W kontekście technologii kwantowych brzmi to jak ostrzeżenie i obietnica jednocześnie. Ostrzeżenie, bo nawet mały poziom szumu czasowego czy dekoherencji może zabić zjawisko. Obietnica, bo jeśli umiemy precyzyjnie kontrolować napęd, zyskujemy nowy sposób na utrzymywanie układów poza równowagą bez klasycznego rozjazdu w stronę gorącej zupy energii.
Jeśli jednak patrzeć szerzej, MBDL brzmi jak kolejny element układanki: jak projektować napędzane układy kwantowe tak, by nie uciekały w chaos. A to dokładnie ten problem, który wraca w kółko przy skalowaniu urządzeń kwantowych: nie tyle jak zrobić coś raz, tylko jak utrzymać stabilną dynamikę długo, powtarzalnie i mimo drobnych zakłóceń.