韓國IBS研究所的新發現：反熱力學定律的玻璃相

從圖中可以看出，在不平衡波輻射下，893的組分（y軸）在很長一段時間內（x軸）都比其他組分需要更多能量（更亮的顏色）。在平衡的情況下，能量被均勻地分布在整個系統，圖中顯示出均勻的彩色圖案。圖片來源：基礎科學研究所（Institute for Basic Science）

解釋比薩餅如何在烤箱中均勻烹飪的規律不能應用在超低溫環境下的原子系統。基礎科學研究所（IBS，韓國）複雜系統理論物理中心的一個研究小組設計了一種創新的方法來研究在接近絕對零度溫度下粒子的相互作用行為，他們發現，在能量分布不均勻、未達到均衡的情況下，熱力學定律和統計力學已經不適用。 他們將這一發現發表在「物理評論快報」上。

最初由吉布斯、波爾茲曼和麥克斯韋創立的統計力學試圖找到大量粒子的混沌行為模式，認為粒子是整體和單體的組成部分。這些定律解釋了為什麼披薩在烤箱中均勻加熱，也解釋了冰淇淋在冰箱中不會融化。這些例子中都與系統內能量（熱量）的分布有關。即能量分布均勻時達到平衡。

然而，正如Kolmogorov-Arnold-Moser（KAM）定理所說明的那樣，這些定律存在局限性。這項研究的作者之一Carlo Danieli解釋道：「眾所周知，唯一違反這些定律的案例是KAM理論，但它在具有大量相互作用粒子的系統中也不適用，這在技術上被稱為多體系統。最大的問題是所有多體系統是否遵循平衡統計力學定律。在這項研究中，IBS科學家發現一個與粒子數量無關的超平衡系統。」

該小組研發的方法解決了反向傳播激光束駐波場中超冷原子的集體動力學問題。這樣的原子形成單一集合體時稱為量子玻色 - 愛因斯坦凝聚體。由Sergej Flach帶領的團隊對這些系統其中之一的動態進行了大量統計分析，這就是註明的Gross-Pitaevskii點陣。他們通過能量分布波動觀察到的動態玻璃相就像一個沒有均勻加熱的假想披薩一樣，但是冷點和熱點隨著時間推移而不斷變化，在Gross-Pitaevskii點陣的組成部分中，能量並不是均勻分布的。相反，它顯示出違反統計物理學和熱力學定律的能量波動。Danieli解釋說：「我們用計算機模型研究過這些能量波動，在有限的時間內，波動將持續時間非常長、甚至無限長，此時整個體系將轉變為動態玻璃階段。」

研究小組報道說：「我們認為這種方法會為評估凝聚態物理和其他領域未解決的熱點話題鋪平道路，例如異常熱傳導、相互作用的無序系統、眼鏡和旋轉眼鏡等等。」

IBS研究人員現在將這種分析方法應用在複雜系統領域的幾種基礎模型。 該團隊渴望在與量子力學和實驗物理有關的一系列體系中證明動力學玻璃相的存在：從超導約瑟夫森點陣到高維無序玻色 - 愛因斯坦凝聚。 Flach說：「這項工作為評估大量典型的、量子多體系統中弱遍歷破裂現象開闢了一個新的研究方法。」

文章來自/phys.org/news，原文題目為Breaking laws, making glass，由材料科技在線匯總整理

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