編者按

傳統觀點認為，宏觀經典現象是由微觀量子定律形成的。 然而，在這兩種描述方法之間建立直接聯系一直是數學領域的一個長期挑戰。 該雜志 9 月 1 日發表的一項新研究發現，如果人們在更粗粒度的層面上觀察量子載體系統的擴散過程，其動力學與經典過程基本相同。 這表明存在一種不依賴于系統微觀細節的共性 ( ) ，更多地依賴于粗粒度組件之間通常的相互作用，這可能與臨界相變期間發生的共性回聲有關。 知名刊物World寫了一篇文章描述這項研究，以下是評論文章的翻譯。

研究領域：量子多體系統、流體熱力學、粗粒度、涌現、普適

球|作者

閆麗 | 作者

梁進|審校

鄧一雪 | 編輯

作文題目：

伊奈斯平

論文鏈接：

描述物質在量子水平上的行為是困難的。 因為一旦粒子數比較多，方程就會顯得無解。 但最近的一項新實驗表明，細節可能并不那么重要——如果我們“斜視”一個多粒子量子系統并對其進行“模糊測試”，我們會發現該系統隨時間的變化與我們所處的經典系統類似熟悉。 擴散過程看起來驚人地相似。

當墨水漂浮在一杯水的底部時，墨水分子隨機地與水分子碰撞，很難弄清楚擴散的確切軌跡。 但要了解墨水分子的軌跡，可能沒有必要追蹤每個分子。 菲克擴散定理（Fick'）表明，物質的通量與其含量梯度成反比，即含量梯度越大，擴散通量越大。

菲克定律是流體熱力學中常用的粗粒度反例。 例如，流體可以被認為是小“包裹”的集合，每個小“包裹”都包含無數不斷相互摩擦的分子。

圖1. 墨水分子在水底的擴散過程可以用菲克擴散定理來描述。 要確定擴散軌跡，可以“模糊”大量分子的集體行為，而不是查看流體中每個分子的狀態。 |來源：維基百科

1.建立載流子極化區

研究人員試圖通過“模糊”粒子以這些方式描述量子多體系統。 假設一種材料包含一組相互作用的量子載流子，我們可以創建一個包含特定方向載流子的局部區域，然后估計它如何在整個系統中擴散。

“一般來說，流體熱力學研究的是系統如何從局部平衡過渡到全局平衡，”加州伯克利學院的喬爾摩爾說。 流體熱力學中的多項式假設是，如果一個粒子與其他粒子發生多次相互作用（碰撞）之后，任何關于粒子初始狀態的詳細信息，包括粒子的位置和軌跡，都會丟失。 “通過這種方式，流體熱多項式可以在更長的時間尺度上——從毫秒到年——非常精確地描述一切?！?/p>

為了研究類似的量子載流子系統，Moore 與加州伯克利加州研究所的化學家 Yao 及其同事合作，測試了一種包含兩種載流子的微小磚石單晶硅：碳晶格。 一種稱為 P1 中心缺陷 (P1)，由取代碳原子的氮原子組成，以 100 ppm 的水平隨機分散在晶格中。 另一種稱為 NV 中心缺陷 (NV)，由晶格中的空位和隨后的替代氮原子組成菲克擴散定律，其擴散量約為 P1 缺陷含量的 1/200。

2.“互感”載體

這些載流子可以在數倍于原子寬度的距離內相互“感知”。 為了解載流子動力學如何演變，研究人員設置了具有 NV 中心缺陷的擾動并檢測了響應。 他們用激光脈沖極化區域中的載流子，然后在磁場的幫助下將 NV 中心與 P1 載流子耦合進入共振狀態，從而將局部擾動轉移到更密集的 P1 載流子。 然后，他們檢查了當系統向全局平衡結構通信時，這種擾動如何在 P1 載體之間傳播。

圖 2. 長程相互作用量子系統中的納米級載流子擴散。 藍色表示 NV 中心缺陷菲克擴散定律，紅色表示 P1 載體。 NV 中心可以作為將載流子極化擴散到 P1 載流子的源。 | 圖片來自論文

姚說：“如果我們取一個統一的初始狀態，在系統某處創建一個冗余的能量包或載體，這個能量包就會按照一定的微分多項式展開?！?對于量子系統，我們可以推測這個方程是一個薛定諤多項式，對于所有相互作用的載流子，很難用薛定諤多項式來描述這個過程。

然而，測試表明整體動力學可以用一個更簡單的方程來描述，一個看起來很像菲克擴散多項式的多項式。 換句話說，這個嚴格的量子過程與經典過程具有本質上相同的動力學。 Yao 解釋說，如果我們只是以稍微粗略的幀速率測量載流子密度，那么“描述這種動力學的微分方程可以比薛定諤多項式（如擴散多項式）簡單得多?！?/p>

3.粗粒度意味著普遍性

但 Moore 懷疑，載流子的行為并不完全像擴散，這可能是因為載流子與碰撞粒子不同，可以在很遠的距離上相互感知。 但這顯然也與 P1 缺陷不相同的事實有關：每個缺陷周圍的原子可能具有略微不同的局部排列，從而產生一些隨機無序。

姚說，其他理論研究表明，“量子流體熱力學”中的其他過程可以有不同的作用，相當于其他類型的粗粒度經典動力學。 例如，KPZ 多項式 (--Zhang) 描述了單個表面生長過程和沖擊波傳播形式，一些研究預測一維鏈中相互作用的載體系統具有類似于 KPZ 多項式的動力學。

這表明，在更粗粒度的層面上，多體系統的動力學似乎對它們是否服從量子化學或經典化學相當不敏感。 這表明一種普遍性 ( ) 更多地依賴于粗粒度組件之間的通常交互，而不是微觀細節。 這實際上是在臨界相變附近的磁性載體系統和經典流體中普遍存在的回聲。

4.活躍領域

普林斯頓大學的戴維·休斯 (David Huse) 說：“詳細了解這些新興現象對量子微觀實體來說是一個挑戰，但對經典微觀實體來說是一個不同的方式?！?常年從事該領域，隨著實驗室研究水平的不斷提高，量子微觀領域非常活躍。”

根據巴黎高等學校的 Pal 的說法，這項實驗工作是“一項令人印象深刻的壯舉。證明不同于經典擴散的流體熱機制的存在是理解量子化學允許的不同動力學通用類的關鍵的第一步?！?步?！?/p>

注解：

泛類是現代數學的一個基本概念。 研究發現，不同的臨界系統可能會解釋一些普遍的屬性，這些屬性往往與系統的大部分細節無關，而僅由系統的維數和對稱性等少數關鍵因素決定。 通過對這一普遍性質（臨界指數）的描述，自然界中連續的相變可以分為幾個普遍的范疇。

在 1970 年代，He 等人。 將這一概念擴展到動力系統，提出了動力通用類的概念：對于臨界系統，其動力特性（如弛豫時間等）也可以表現出通用行為，這種行為往往比靜態的通用類更為復雜相關函數等化學量。 同時，這種普遍的動力學現象甚至不局限于近平衡系統的相變點附近，在遠離平衡的系統中也能觀察到（如--Zhang的普遍類). （來源：）

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