作者:索尼娅·费尔南德斯，加州大学圣巴巴拉分校 信用:CC0公共领域 他们在那里，在他们所有怪异的量子荣耀中:加州大学圣巴巴拉分校本科生亚历克·曹和他在大卫·韦尔德原子物理小组的同事们操作的光阱中的超冷锂原子
这些原子被激光固定在规则的晶格结构中，被能量脉冲“驱动”，做着疯狂的事情
“这有点奇怪，”威尔德说
“原子会向一个方向被泵送
有时他们会被抽到另一个方向
有时他们会把这些看起来像脱氧核糖核酸的结构撕成碎片
" 这些新的、意想不到的行为是曹、魏尔德和他的同事们为了拓展我们对量子世界的认识而进行的一项实验的结果
结果呢？动态量子工程领域的新方向，以及通向经典和量子物理之间联系的诱人途径
他们的研究发表在《物理评论研究》杂志上
“当你摇动一个量子系统时，会发生很多有趣的事情，”他说，他的实验室创造了“人造固体”——光和超冷原子的低维晶格——来模拟量子力学粒子在受到驱动力时在更密集的真实固体中的行为
最近的实验是追溯到1929年的一系列推理中的最新一个，当时物理学家和诺贝尔奖得主费利克斯·布洛赫首次预测，在周期性量子结构的范围内，一个量子粒子在恒定的力的作用下会振荡
“它们实际上来回晃动，这是物质波动性质的结果，”韦尔德说
虽然这些位置空间布洛赫振荡是在近一个世纪前预测的，但它们只是在最近才被直接观察到；事实上，2018年，Weld的团队第一个看到了它们，他们用一种方法让这些通常快速、微小的慢行变得又大又慢，而且很容易看到
10年前，其他实验通过对布洛赫振荡系统施加额外的周期性力，为其增加了时间依赖性，并发现了更强烈的活动
在振荡之上的振荡——超级布洛赫振荡——被发现
在这项研究中，研究人员通过修改这些原子相互作用的空间，将系统向前推进了一步
“我们实际上是在改变晶格，”Weld说，通过改变激光强度和外部磁力，不仅增加了时间依赖性，还弯曲了晶格，产生了不均匀的力场
他补充说，他们创造大而慢的振荡的方法“给了我们机会，让我们看看当布洛赫振荡系统处于不均匀环境时会发生什么
" 这是事情变得奇怪的时候
原子来回运动，有时会散开，有时会因能量脉冲以各种方式推动晶格而产生图案
“如果我们努力的话，我们可以用数字来跟踪他们的进展，”韦尔德说
“但有点难以理解为什么他们只做一件事而不做另一件事
" 正是这篇论文的主要作者曹的洞察力，导致了一种解读这种奇怪行为的方法
正在创意学院读四年级的曹(音译)说:“当我们同时研究所有时间的动力学时，我们只是看到了一片混乱，因为根本没有对称性，这使得物理学的解释变得很困难。”
为了画出对称性，研究人员简化了这种看似混乱的行为，通过利用最初开发的观察经典非线性动力学的数学技术，即庞加莱截面，消除了一个维度(在这种情况下，时间)
“在我们的实验中，时间间隔是由我们如何周期性地及时修改晶格来设定的，”曹说
“当我们抛开所有‘中间’时间，每隔一段时间观察一次行为时，轨迹的形状就会显现出结构和美感，因为我们恰当地尊重了物理系统的对称性
“仅在基于这个时间间隔的周期内观察系统，产生了类似于这些原子复杂但循环运动的停止运动表示
“亚历克发现的是，这些路径——庞加莱轨道——告诉我们为什么在某些驱动原子的机制下会被激发，而在另一些驱动原子的机制下会扩散并破坏波函数，”韦尔德补充道
他说，研究人员可以从这里采取的一个方向是，利用这些知识来设计量子系统，使其通过驱动产生新的行为，并在拓扑量子计算等新兴领域得到应用
“但是我们可以采取的另一个方向是，当我们开始做一些事情，比如给这样一个驱动系统增加相互作用时，我们是否可以研究量子混沌的出现，”韦尔德说
这不是一件小事
几十年来，物理学家一直试图找到经典物理和量子物理之间的联系——这是一种常见的数学，可以解释一个领域中似乎与另一个领域没有相似之处的概念，例如经典混沌，量子力学中不存在这种语言
“你可能听说过蝴蝶效应——一只蝴蝶在加勒比海扇动翅膀就能在世界某个地方引发台风，”威尔说
“这实际上是经典混沌系统的一个特征，它对初始条件有着敏感的依赖性
这个特征实际上在量子系统中很难重现——很难在量子系统中给出同样的解释
所以这可能只是研究的一小部分
"
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