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描述非平衡相变的新理论方法

发布时间:2019-05-31 10:36 来源:未知 编辑:admin

  美国能源部阿贡国家实验室的两位物理学家提供了一种数学描述特定物理现象的方法,称为系统失衡的相变。这种现象在物理学中是至关重要的,理解它们是如何发生的是一个长期存在且令人烦恼的目标; 他们的行为和相关影响是解开新电子产品和其他下一代技术的关键。

  在物理学中,“平衡”是指物体不运动且没有能量流过它的状态。正如您所料,我们的大部分生活都发生在这种状态之外:我们不断移动并导致其他事物发生变化。

  “一场暴雨,这个旋转的风扇,这些系统都处于失衡状态,”该研究的共同作者,一位阿贡国际杰出研究员,芝加哥大学计算研究所Argonne-University的成员Valerii Vinokur说。“当一个系统处于平衡状态时,我们知道它总是处于最低可能的能量配置,但对于非平衡,这个基本原理不起作用;而我们描述这种系统物理特性的能力非常有限。”

  他和合着者阿列克谢加尔达(Argonne和芝加哥大学詹姆斯弗兰克研究所的科学家)一直致力于描述这些系统的方法,特别是那些正在经历相变的系统 - 例如雷暴时的电荷差异时刻云与地之间的尖端太高,发生雷击。

  他们在量子力学的一个新分支中发现了他们对非平衡物理学的新方法。在量子力学的语言中,系统的能量由所谓的哈密顿算子表示。传统上,量子力学认为表示系统的算子不能包含虚数,如果它意味着能量不是“真实”和正值 - 因为系统实际上确实存在。这种情况称为隐性。

  但是,物理学家们通过使用虚构的组件更加严格地看待违反Hermiticity的操作员,Vinokur说。几年前发现的几个这样的操作者现在广泛用于量子光学。

  为了描述相变,Galda和Vinokur写出了哈密顿算子,引入了一个使其脱离平衡的力,然后它们使力成为虚构的。

  “从任何常识的观点来看,这是一个非法的伎俩;但我们看到这种组合,能量和想象力,在数学上完美地描述了摩擦系统的动力学,”Vinokur说。

  他们应用这个技巧来描述其他不平衡的相变,例如动态Mott过渡和自旋系统,并且看到的结果与观察到的实验或模拟一致。

  在他们的最新作品中,他们将他们的描述与称为莫比乌斯变换的操作联系在一起,该变换出现在称为拓扑的数学分支中。“我们现在可以将非均衡转变理解为能量空间中的拓扑转换,”Galda说。

  他们说,需要更深入地理解这一点量子的恶作剧,但同样有价值; 该理论描述了对下一代电子技术非常感兴趣的物理学基础领域。

  “目前与拓扑的连接看起来像数学糖果,这是我们还不能使用的美好事物,但我们从历史中知道,如果数学足够优雅,很快它的实际意义就会出现,”Vinokur说。

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