普遍行为是相变的一个核心特性，例如，在超过一定温度时不再具有磁性的磁体就可以看到这一点。来自凯泽斯劳滕、柏林和中国海南的研究小组首次成功观察到开放量子系统(铷原子浴中的单个铯原子)的时间发展中的这种普遍行为。
这一发现有助于理解量子系统如何达到平衡。例如，这对于量子技术的发展很有意义。该研究已发表在《自然通讯》杂志上。
化学和物理学中的相变是指当温度或压力等外部参数发生变化时物质状态的变化，例如从液态到气态的变化。
“磁铁就是一个很好的例子，”凯泽斯劳滕-兰道大学 (RPTU) 个体量子系统部门负责人 Artur Widera 教授博士说。
“铁磁体在没有外部磁场的情况下表现出自发磁化，即它们具有固有磁性，但仅低于某个临界温度。当温度升至此点以上时，系统会发生连续的相变;高于此温度，材料不再具有磁性。”磁的。”
在实验中，可以通过改变压力、磁力或温度等参数来具体诱导相变的普遍行为。特殊之处在于，物理量的这种行为“可以通过一些关键参数来描述，”Widera 继续说道，“而这些参数又独立于所考虑的系统的细节。”
这种普遍行为也可以在量子世界(即原子和亚原子水平)中观察到吗?
在当前的研究中，Widera 的研究团队将单个铯原子置于特定的量子态，并将它们浸入铷原子气体中。这种单量子系统(铯)与铷浴相互作用的组合在专家圈中也被称为开放量子系统。铯原子和铷原子都被冷却到几乎绝对零。
“与通常的观察相反，在我们的实验中，时间是应该达到临界点或关键时间的参数，”Widera 的研究员、该研究的合著者 Jens Nettersheim 博士说。为了实现这一目标，研究人员必须用大量能量激发量子系统。
“我们现在观察到，随着系统随着时间的推移而发展，熵首先增加，”参与该项目的理论物理学家、该研究的第一作者 Ling-Na Wu 补充道。
研究人员将“熵”一词理解为衡量某个系统中无序程度的指标，因此也是衡量粒子在系统中自行排列的可能性的指标，例如本例中的铯和铷原子。系统的无序程度越大，熵就越高，反之亦然。吴说：“这种情况会发生，直到熵达到最大值，然后再次下降。”
正是在这个关键时刻，量子系统的普遍行为开始出现。领导该项目理论工作的柏林工业大学 (TU) 理论物理学教授安德烈·埃卡特 (André Eckardt) 解释道：“此时，会发生以下情况：形象地说，系统失去了对先前发生的事情的记忆，或者对确切的初始状态的记忆。随后的动态是普遍的。在物理学中，这意味着可以用公式和参数来描述行为。
研究表明，在开放量子系统中，存在与时间有关的普遍行为。通过这项工作，物理学家正在为更好地理解此类系统的基本功能做出贡献。Widera 解释说：“目前还不完全清楚这种开放量子系统如何释放能量，即弛豫，以及如何准确实现热力学平衡。”
如今，许多技术应用的运行都得益于内置的量子技术。未来，它将发挥越来越重要的作用，例如在量子计算机或量子传感器中。因此，了解此类系统中发生的情况以及它们如何与环境交互非常重要。
Widera 的团队在凯泽斯劳滕的 RPTU 进行了实验;这项研究的理论工作由柏林工业大学理论物理研究所 André Eckardt 教授博士领导的工作组提供，中国海南大学的吴凌娜也参与其中。