科普文:量子调控

  • 前言
    前几天跟同事聊天,聊到许多年前IBM对原子进行调控从而排列成“IBM”字样的故事。随后,跟老程一起做ALPS,正好发现一个模型可以完美地描述诠释“量子调控”的力量。

  • 关键词及其直观说明

    • “本征态”
    • “调控”
    • 事物都有“本征态”。以学生为例,他们可处于“懒惰态”和“努力态”。通常情况下,学生会处于省力的“懒惰态”。外界对他们干预、加压,改变他们的态,就是一种“调控”。
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假设有一块磁性材料,它有以下本征态,\alpha, \beta,\gamma等等。为了便于描述,这些态依次描述那些能量从低到高排列的本征态。根据能量最低原理,在绝对零度时,系统处于最省能量的\alpha态。

在某种情况下,我们想把材料调控到\beta态,因为该态具有某个我们需要的特性。

一种方法,是给材料提供更多的能量,让它“跃迁”到\beta态。就像老师给学生加压一样的道理。然而,这个过程是不稳定的,它会“自发跃迁”回到低能量的\alpha态(就像学生回归惰性态)。

还有第二种方法:利用材料的对称性。

在生活中我们知道,具有对称性的物体,对其进行特定操作、它的状态指标不变(比如一个球体,你对它进行旋转操作)。

类似地,对于具有某种对称性的磁性材料,我们对它进行特定物理操作(如:外加磁场),其各个本征态\alpha, \beta,\gamma不受影响。但外加磁场将对这些本征态的能量值产生不同程度的影响。

还是得写清楚,万一被那些有学物理的同学看到呢?万一呢?
比如若一个系统,其哈密顿量H=\sigma_x \otimes \sigma_x+\sigma_y \otimes \sigma_y + \Delta \sigma_z \otimes \sigma_z,外加磁场\lambda(\sigma_z + \sigma_z) 跟其哈密度量对易,本征态具有good quantum number \sigma_z^{total}。因此外加磁场不影响各个本征态,但改变了能量特征值。

由于能量受到影响,\beta态的能量可能变得比\alpha态低(如下图所示)。这样,根据能量最低原理,材料就自发地处于\beta态了。类似地,我们能够通过控制外加磁场的强度,将材料的状态完美地“调控”到所需的各个“本征态”\alpha,\beta,\gamma...上去。

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  • 结语
    面对一个处于磁场中的物体,
    你可以高兴地说:啊,它被磁化啦!
    或许你也可以低调地说:我看见它的各个本征态被磁场调控了。。。
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