Vasakul on kujutatud mittetasakaalulise dünaamika tekkimist ülikülmade aatomite tiheduslainest tingitud tunnelleerumisprotsessidest ning osakestevahelistest interaktsioonidest. Paremal on näha teooria ja katsetulemuste esialgset head kattuvust. Horisontaaltelje viienda ajaühiku juures numbriliste meetodite pidevus aga katkeb, samas kui dünaamiline simulatsioon annab häid tulemusi.
Kvantsimulaatori põhieesmärk on leida vastuseid probleemidele, millele klassikalised algoritmid ei kehti. Max Plancki Kvantoptika Instituudi ja Ludwig-Maximillians-Müncheni Ülikooli (LMMÜ) professori Immanuel Blochi, LMMÜ teoreetilise füüsika labori professori Ulrich Schollwöcki ja Austraalia Queenslandi ülikooli teadlaste koostöö selgitas esmakordselt, et dünaamilise kvantsimulaatori meetod on numbrilistest meetoditest etem, suutes kirjeldada optilises võres (optical lattice) tugevalt korrelleerunud ülikülmade aatomite dünaamikat. Täpsemalt suutsid nad jälgida tasakaalust välja viidud isoleeritud süsteemi relaksatsiooni, ehk tasakaaluolekusse jõudmist. Eksperimendist mõõdetud lühikese evolutsiooniajaga süsteemi ajaline muutumine oli heas kooskõlas teadlastegrupi simulatsioonidega. Tulemused näitavad, et ülikülmadest aatomitest koosnevat mitmekeha süsteemi (multibody system) on võimalik kasutada kvantsimulaatorina viisil, mis ei ole klassikalistel arvutitel võimalik.
Soojusliku tasakaalu printsiip on igapäevaelus olulisel kohal, seletades muuhulgas kohvi jahtumist ning sellega kaasnevat toa soojenemist, aga ka kohvis lusikaga liikuma aetud molekulide liikumist ning mikroosakeste settimist. Suletud tasakaaluasendist välja viidud osakeste kvantsüsteemi kirjeldamine on aga seni olnud lahendamata probleem. Ülesande kvantdünaamiline keerukus ning võimalus, et osakesed satuvad lõimitud olekusse, paneb raskesse olukorda ka kõige keerulisemad numbrilised lahendusmeetodid. Iseäranis abitud on numbrilised meetodid suurte osakestegruppide ja pikemate ajaintervallide puhul. Immanuel Blochi juhtimisel tehtud ülikülmade rubiidiumi aatomite eksperimendid lubavad nüüd mittetasakaaluliste mitmekeha-kvantsüsteemide dünaamika simulatsioone sooritada oluliselt pikematel ajaskaaladel kui seniste numbriliste meetodiega võimalik oli.
Ekspetimentide käigus juhiti väga madalatele temperatuuridele jahutatud rubiidiumi aatomgaas optilisse võresse, ehk ristuvate laserkiirte interferentsi tekitatud heledate ning tumedate aladega optilisse süsteemi. Aatomeid hoiti süsteemis kas heledas või tumedas piirkonnas sõltuvalt laservalguse lainepikkusest. Tekkis kindel perioodiline muster. Välise kaks korda suurema võrekonstandiga valgusallika lisamine võimaldas teadlastel kõrvutiolevaid võretasandeid paarikaupa grupeerida, tekitades optilise supervõre (optical supperlattice), milles kulgesid ühe sõlme sihis vaheldumisi nii tumedad kui heledad laigud. Energeetilisest tasakaalust välja viidud süsteemis tekkis tiheduslaine (density wave), mille käigus eri tsoonide aatomid tunnelleerusid ning põrkusid. Pärast teatud relaksatsiooniaja möödumist loeti süsteemi võrepunktidest andmeid lokaalsete tiheduste, tunnelleerumisvoolude ning naabersõlmede interaktsioonide kohta. Need vaadeldavad suurused saadi mitmete supervõre paksuste ning evolutsioonifaaside juures. Tulemused näitasid kiiret relasatsiooni kvaasistatsionaarsetesse olekutesse.
Lühikestel ajaskaaladel suudeti mitme teadusasutuse koostöös numbriliste meetoditega süsteemi dünaamikat jälgida ja eksperimendi tulemusi kinnitada. Pikkadel evolutsiooniaegadel aga klassikalised meetodid paralleelselt tekkivaid kvantlõimitusi kirjeldada ei suutnud. Eksperimendis, teisalt, oli võimalik süsteemi evolutsiooni jälgida oluliselt pikemalt kui arvutisimulatsioonides. See tõendab, et ülikülmasid aatomeid on võimalik mitmekeha kvantsüsteemide dünaamika simulatsioonide relaksatsiooni uurimiseks edukalt kasutada. Lisaks annab eksperiment uut aimu kvantmehaanilistesse tunnelleerumisprotsessidest ning relaksatsioonijärgsetest kvaasistabiilsetest olekutest. See avab uue eksperimendispektri külmade aatomite mittetasakaaluliste süsteemide uurimiseks, päädides lõppeks tahkiseteooria parema käsitlusega.
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply