量子物理学：秩序是如何产生的？
来自MPQ，LMU和FUB的德国科学家分析了订单在量子力学系统中的出现速度。
在水冷冻期间，最初无序的分子开始形成有序晶体，即冰。在此阶段转换期间，它们从无序重排为更有序的状态。这种设置自然会带来一个重要问题：这种相变需要多长时间，即每个分子在晶体中找到它的位置需要多长时间？
对于这种和类似问题的答案在例如冶金学中具有重要的后果，因为所得晶粒的尺寸在决定钢的弹性或脆性方面起主要作用。虽然这些问题已被广泛研究用于经典系统，但它们在量子系统的背景下相对未被探索。通过在光学晶格中使用超冷原子，由Maxrichck量子光学研究所，慕尼黑路德维希 - 马克西米利安大学，柏林自由大学和马德里Consejo Superior deInvestigacionesCientíficas的Ulrich Schneider和Immanuel Bloch领导的团队取得了成功在一个干净和良好控制的实验中测量秩序的出现。他们的研究结果揭示了当前理论模型的不足之处，并于本周发布美国国家科学院院刊。
任何阶段转变的基本问题是：它是如何实际发生的，即系统如何从一个阶段发展到另一个阶段？特别是对于量子系统，通常没有简单的答案可用，因为这些系统的动态通常比相本身复杂得多。此外，存在称为临界减速的效应，这意味着系统的反应时间在接近相变点时强烈增加并且在此时发散。因此，系统永远不会从无序进入完全“平滑”进入有序阶段。因此，表征有序相位的相关性能够以多快的速度出现和传播，是相变物理学中的核心问题。直观地，人们可以想象一组最初指向随机方向的小箭头。除了相变之外，现在每个箭头都指向与其邻居相同的方向。所以，最终，所有箭头都要对齐，但选择哪个方向？由于起初所有方向都是等效的，因此箭头必须自发地破坏这种对称性，这意味着它们必须在一个特定的方向上达成一致。这个订购过程有多快发生？
有序相的出现在理论上已经研究了一段时间。现在，科学家们第一次能够在一个干净且精确控制的合成多体系统中研究这一过程：这个系统由多达十万个原子形成，这些原子已经深入到量子体系中，然后被定位到在所谓的光学晶格中的单个晶格位置，即由重叠和干涉激光束形成的光晶体。在该Mott绝缘体中，晶格位置之间不存在相关性。通过现在增加晶格位点之间的耦合 - 粒子的隧穿速率 - 可以诱导量子相转变为另一相。在这个新的超流体相中，颗粒可以自由地穿过晶格。由于所有原子都以连贯的方式运动 - 它们最终都将成为单波函数的一部分，即玻色 - 爱因斯坦凝聚 - 这导致了远距离相关，甚至在非常远的晶格位置之间。在他们的实验中，慕尼黑的实验团队现在可以首次定量地观察这种相关性的出现并研究其时间依赖性。
他们可以将他们的结果与理论模型进行比较，并表明这些模型太简单，不能描述现实情况，需要通过新颖的，尚未知的贡献来扩展。慕尼黑的实验团队现在可以首次定量观察这种相关性的出现并研究其时间依赖性。他们可以将他们的结果与理论模型进行比较，并表明这些模型太简单，不能描述现实情况，需要通过新颖的，尚未知的贡献来扩展。慕尼黑的实验团队现在可以首次定量观察这种相关性的出现并研究其时间依赖性。他们可以将他们的结果与理论模型进行比较，并表明这些模型太简单，不能描述现实情况，需要通过新颖的，尚未知的贡献来扩展。
在一维情况下，即一串格子点，实验结果可以与柏林自由大学的Jens Eisert团队在经典超级计算机上进行的精确数值计算进行比较。这种比较构成了对实验的独立检查，它以绚丽的色彩传递。在这种成功的推动下，实验被扩展到二维和三维情况，其中没有数值计算是可行的。所获得的结果现在可用于测试和确定新的理论概念，从而推进我们对量子系统中多体动力学的基础知识和理解。
本实验可以被视为量子模拟器：通过在良好控制的模型系统上进行实验，我们可以了解复杂系统的行为，这些行为通常难以直接进行实验研究，也无法用数字模拟。通过提供急需的基准数据，量子模拟器将有助于从根本上提升我们对此类系统的了解。
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