运动中的量子磁铁

Kardar-Parisi-Zhang的普遍性以一种令人惊讶的方式将经典的日常现象（如咖啡渍）与量子力学自旋链相结合。图片来源：马克斯·普朗克量子光学研究所

微观量子磁体的行为长期以来一直是理论物理学讲座中教授的一门学科。然而，到目前为止，调查那些远远失衡的系统动态并观察它们的“实时”一直很困难。现在，位于加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员已经使用量子气体显微镜完成了这项工作。有了这个工具，量子系统可以纵，然后以如此高的分辨率成像，甚至单个原子都是可见的。对自旋线性链的实验结果表明，它们的取向传播方式对应于所谓的Kardar-Parisi-Zhang超扩散。这证实了最近从理论考虑中出现的一个猜想。

围绕Johannes Zeiher博士和Immanuel Bloch教授的物理学家团队将目光投向了其他人几乎从未见过的物体。位于Garching的马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究人员使用所谓的量子气体显微镜来追踪量子物理学微小尺度上的过程。这种仪器允许在原子和激光的帮助下，专门创建具有所需性质的量子系统，并以高分辨率研究它们。在这些实验中，研究人员还关注传输现象 —— 量子物体在特定外部条件下如何移动。

该团队现在已经取得了一个令人惊讶的实验发现。研究人员能够证明，自旋的一维输运 - 术语“自旋”代表原子和其他粒子的特定磁性量子特性 - 在某些区域类似于宏观现象。在大多数情况下，量子领域和日常世界的过程有很大的不同。“但我们的工作揭示了冷原子中的量子力学自旋系统与经典系统（如细菌菌落生长或野火蔓延）之间的有趣联系，”MPQ量子多体系统部门组长Johannes Zeiher说。“这一发现是完全出乎意料的，并指出了非平衡物理学领域的深层联系，这种联系仍然知之甚少。

物理学家将量子和经典系统中随机运动之间的这种理论类比称为“普遍性”。在这种特定情况下，它是Kardar-Parisi-Zhang普遍性（KPZ）——这种现象以前只从经典物理学中得知。

告诉指数

为了在显微镜下观察这种现象，Garching团队首先将一团原子冷却到接近绝对零度的温度。这样，可以排除由于热量引起的运动。然后，他们将超冷原子锁定在一个特殊形成的“箱形”电位中，该电位由微小的镜子排列形成。“我们用它来研究50个线性排列的自旋链中单个磁畴壁的弛豫，”Johannes Zeiher小组的研究员David Wei解释说。域壁将相邻自旋方向相同的区域彼此分隔开来。研究人员首先使用一种新技巧为实验创建了域壁，通过投射光产生“有效磁场”。通过这样做，研究人员可以强烈抑制自旋之间的耦合，有效地将它们“锁定”到位。

自旋链内的松弛发生在自旋之间的耦合以受控方式打开并且事实证明遵循特征模式之后。“这可以用指数为3/2的幂律在数学上描述，”Wei说 - 暗示了与KPZ普遍性的联系。当研究人员检测到单个自旋的运动时，提供了这种关系的进一步证据，这是通过量子气体显微镜揭示的。

“这种高精度是详细统计评估的基础，”Zeiher说。“例如，我们的实验显示的自旋扩散的惊人过程在其数学形式上近似对应于桌布上咖啡渍的扩散，”马克斯普朗克物理学家解释说。大约两年前，一组理论家根据理论考虑，怀疑可能存在这种惊人的联系。然而，这一假设的实验证实仍然缺乏。

一个古老的模型让物理学家感到惊讶

对于量子力学自旋现象的描述，物理学家长期以来一直非常成功地使用所谓的海森堡模型（但直到最近，自旋传输现象才能在这个模型中从理论上描述）。“我们的研究结果表明，即使在既定的理论框架内，令人惊讶的新见解仍然是可能的，”Johannes Zeiher强调说。“它们证明了理论和实验如何在物理学中相互施肥。

Garching团队现在取得的成果不仅具有学术价值。它们还可用于有形的技术应用。例如，自旋也构成了某些形式的量子计算机的基础。了解信息载体的传输特性对于实际实现这种新颖的计算机体系结构至关重要。

该研究发表在《科学》杂志上。