激光网3月8日消息，特拉维夫大学最近进行的一项研究设计了一种大型机械系统，该系统在类似于量子系统中的动力学规则下运行。量子系统的动力学由原子或电子等微观粒子组成，即使不是不可能，也很难直接观察。
然而，这个新系统允许研究人员通过耦合的钟摆系统的运动来可视化专门的“拓扑”材料中发生的现象。
该研究是Soreq核研究中心的Izhar Neder博士，生物医学工程系的Chaviva Sirote-Katz，机械工程学院的Meital Geva博士和Yair Shokef教授以及特拉维夫大学物理与天文学学院的Yoav Lahini教授和Roni Ilan教授之间的合作，最近发表在《美国国家科学院院刊》上。
量子力学控制着电子、原子和分子的微观世界。电子是在原子或固体中移动的粒子，可能具有引起波状现象的特性。例如，它可能表现出在空间中分散的概率，类似于将石头扔进去后波浪在水池中扩散，或者同时存在于多个地方的能力。
这种波状特性导致了一种独特的现象，这种现象出现在一些固体隔离器中，即使没有电流通过它们，并且电子不会由于外部电压而移动，材料的内部排列也会以称为“拓扑”的状态出现。
这意味着电子波具有可以以不同方式“自我关闭”的量，有点像圆柱体和莫比乌斯带之间的区别。2016年诺贝尔物理学奖授予电子的这种“拓扑”状态被认为是一种新的物质状态，并吸引了许多当前的研究。
尽管有理论上的兴趣，但在量子系统中测量这些现象是有局限性的。由于量子力学的性质，人们无法直接测量电子的波函数及其动力学演化。取而代之的是，研究人员间接测量材料中电子的波状和拓扑特性，例如，通过测量固体边缘的电导率。
在目前的研究中，研究人员考虑了构建一个足够大的机械系统的可能性，该系统将遵守类似于量子系统中的动力学规则，并且它们可以直接测量一切。为此，他们建造了一个由 50 个钟摆组成的阵列，琴弦的长度从一个钟摆到另一个钟摆略有不同。每对相邻钟摆的琴弦都以受控的高度连接，因此每个钟摆的运动都会影响其邻居的运动。
一方面，该系统遵循牛顿的运动定律，该定律支配着我们日常生活的物理学，但钟摆的精确长度和它们之间的联系创造了一个神奇的现象：牛顿定律使钟摆运动的波近似服从薛定谔方程——量子力学的基本方程，它控制着原子和固体中电子的运动。因此，在宏观世界中可见的钟摆的运动再现了晶体等周期系统中电子的行为。
研究人员推动了几个钟摆，然后释放了它们。这产生了一种沿着悬垂链自由传播的波，研究人员可以直接测量这种波的演变——这对于电子运动来说是一项不可能完成的任务。这使得能够直接测量三种现象。
第一种现象称为布洛赫振荡，当晶体内的电子受到电压的影响，将它们拉向特定方向时，就会发生这种情况。与人们所期望的相反，电子不仅沿着磁场的方向移动，而且由于晶体的周期性结构，它们来回振荡。
预计这种现象会出现在自然界中很难找到的超干净固体中。在钟摆系统中，波浪周期性地来回移动，完全符合布洛赫的预测。
在摆式系统中直接测量的第二种现象称为齐纳隧穿。隧穿是一种独特的量子现象，它允许粒子穿过障碍，这与经典直觉形成鲜明对比。对于齐纳隧穿，这表现为波的分裂，然后波的两部分向相反的方向移动。波的一部分像布洛赫振荡一样返回，而另一部分则通过禁止状态“隧道”并继续传播。
这种分裂，特别是它与波在任一方向上的运动的联系，是薛定谔方程的一个明显特征。事实上，这种现象使薛定谔感到不安，也是提出他著名的悖论的主要原因。根据薛定谔方程，整只猫的波可以在活猫状态和死猫状态之间分裂。
研究人员分析了钟摆运动并提取了动力学参数，例如，分裂波两部分的振幅之比，相当于量子齐纳隧穿概率。实验结果与薛定谔方程的预测结果非常吻合。
钟摆系统受经典物理学支配。因此，它不能模仿量子系统的全部丰富性。例如，在量子系统中，测量可以影响系统的行为。
在宏观悬垂的经典系统中，没有与这种现象相对应的。然而，即使有这些限制，钟摆阵列也允许观察量子系统的有趣和非平凡的性质，而后者可能无法直接测量。
在钟摆实验中直接观察到的第三个现象是拓扑介质中的波演化。在这里，研究人员找到了一种直接测量系统中波动力学拓扑特性的方法，这在量子材料中几乎是不可能的。为此，钟摆阵列被调谐了两次，以便它们模仿薛定谔的电子方程，一次处于拓扑状态，一次处于平凡状态。
研究人员可以通过比较两个实验之间摆动运动的微小差异来对这两种状态进行分类。分类需要非常精细地测量两个实验之间的差异，即在持续 12 分钟的 400 次完整振荡后，单个钟摆的振荡正好是半个周期。发现这种微小的差异与理论预测一致。
该实验为实现更有趣和更复杂的其他情况打开了大门，例如噪声和杂质的影响或能量泄漏如何影响薛定谔方程中的波动力学。这些效果可以通过故意以受控方式扰乱钟摆运动，在该系统中很容易实现和看到。
