Rotador pateado


El rotador pateado , también deletreado como rotor pateado , es un modelo prototipo para estudios de caos y caos cuántico . Describe una partícula que está obligada a moverse en un anillo (equivalentemente: una varilla giratoria). La partícula es pateada periódicamente por un campo homogéneo (de manera equivalente: la gravitación se activa periódicamente en pulsos cortos). El modelo es descrito por el hamiltoniano

Retratos de fase (p vs. x) del rotor pateado clásico con diferentes potencias de pateo. La fila superior muestra, de izquierda a derecha, K = 0.5, 0.971635, 1.3. La fila inferior muestra, de izquierda a derecha, K = 2.1, 5.0, 10.0. El retrato de fase en el límite caótico es el gráfico medio superior, con K C = 0,971635. En y por encima de K C , aparecen regiones de trayectorias uniformes, de color granulado y casi aleatorias que, finalmente, consumen toda la trama, lo que indica caos.

Dónde es la función delta de Dirac , es la posición angular (por ejemplo, en un anillo), tomada en módulo , es el impulso, y es la fuerza de las patadas. Su dinámica está descrita por el mapa estándar.

Con la salvedad de que no es periódico, como en el mapa estándar.

En el análisis clásico, si las patadas son lo suficientemente fuertes, , el sistema es caótico y tiene un exponente máximo de Lyapunov (MLE) positivo .

La difusión promediada de la cantidad de movimiento al cuadrado es un parámetro útil para caracterizar la deslocalización de trayectorias cercanas. El resultado inductivo del mapa estándar produce la siguiente ecuación para el momento [1]

Animación de retrato de fase de Kicker Rotor

La difusión puede calcularse luego elevando al cuadrado la diferencia de impulso después de la patada y el impulso inicial, y luego promediando, produciendo

En el dominio caótico, los momentos en diferentes puntos de tiempo pueden ser desde completamente no correlacionados hasta altamente correlacionados. Si se asume que no están correlacionados debido al comportamiento cuasialeatorio, la suma que involucra los términos cruzadosestá descuidado. En este límite, dado que el primer término es una suma de términos todos iguales , la difusión del impulso se convierte en . Sin embargo, si se supone que los momentos en diferentes puntos de tiempo están altamente correlacionados, la suma que involucra los términos cruzados no se descuida, por lo que contribuye con más términos que igualan. En total, hay términos para sumar, toda la forma . Esto da un límite superior en la difusión del impulso de. Por lo tanto, en el dominio caótico, la difusión del impulso se encuentra entre

Es decir, la difusión de la cantidad de movimiento en el dominio caótico tiene una dependencia entre lineal y cuadrática del número de patadas. Una expresión exacta para se puede obtener en principio calculando las sumas explícitamente para un conjunto de trayectorias.

En el análisis cuántico, el hamiltoniano primero debe reescribirse en forma de operador, utilizando la sustitución dar (en forma adimensional)….

La función de onda se puede resolver utilizando la ecuación de Schrödinger

dónde aquí se escala de acuerdo con el período entre patadas, , y el vector de onda del potencial impulsor, , como

La función de onda en el la patada se puede expandir en términos de los estados propios del impulso, , como

Se puede demostrar que los coeficientes vienen dados de forma recursiva por [2]

Dónde es una función de orden de Bessel.

Dado un conjunto de condiciones iniciales, es relativamente sencillo resolver numéricamente la ecuación recursiva anterior para todo el tiempo y sustituir los coeficientes calculados nuevamente en la descomposición del estado propio del momento para encontrar la función de onda total. Al cuadrar esto, se obtiene la evolución temporal de la distribución de probabilidad, lo que proporciona una descripción mecánica cuántica completa.

Otra forma de calcular la evolución del tiempo es aplicar iterativamente el operador unitario

Se ha descubierto [3] que se suprime la difusión clásica, y más tarde se ha entendido [4] [5] [6] [7] que esto es una manifestación de un efecto de localización dinámica cuántica que es paralelo a la localización de Anderson . Hay un argumento general [8] [9] que conduce a la siguiente estimación del tiempo de interrupción del comportamiento difusivo

Dónde es el coeficiente de difusión clásico. Por tanto, la escala de localización asociada en el momento es.

Si se agrega ruido al sistema, se destruye la localización dinámica y se induce la difusión. [10] [11] [12] Esto es algo similar a la conductancia de salto. El análisis adecuado requiere descubrir cómo se reducen las correlaciones dinámicas que son responsables del efecto de localización.

Recuerde que el coeficiente de difusión es , porque el cambio en el impulso es la suma de patadas casi aleatorias . Una expresión exacta para se obtiene calculando el "área" de la función de correlación , es decir, la suma . Tenga en cuenta que. La misma receta de cálculo es válida también en el caso de la mecánica cuántica, y también si se agrega ruido.

En el caso cuántico, sin el ruido, el área bajo es cero (debido a las largas colas negativas), mientras que con el ruido una aproximación práctica es donde el tiempo de coherencia es inversamente proporcional a la intensidad del ruido. En consecuencia, el coeficiente de difusión inducido por ruido es

También se ha considerado el problema del rotador con patada cuántica con disipación (debido al acoplamiento a un baño termal). Aquí hay un problema sobre cómo introducir una interacción que respete la periodicidad del ángulo de la posición.coordinar, y sigue siendo espacialmente homogéneo. En los primeros trabajos [13] [14] se ha asumido una interacción de tipo óptico-cuántico que implica un acoplamiento dependiente del momento. Posteriormente [15] se ha descubierto una forma de formular un acoplamiento puramente dependiente de la posición, como en el modelo Calderia-Leggett, que puede considerarse como la versión anterior del modelo DLD .

El grupo de Raizen , [16] y el grupo de Auckland, [17] han logrado realizaciones experimentales del rotador cuántico pateado y han alentado un interés renovado en el análisis teórico. En este tipo de experimento, una muestra de átomos fríos proporcionada por una trampa magneto-óptica interactúa con una onda de luz estacionaria pulsada. Al estar desafinada la luz con respecto a las transiciones atómicas, los átomos experimentan una fuerza conservadora espacio-periódica . Por lo tanto, la dependencia angular se reemplaza por una dependencia de la posición en el enfoque experimental. El enfriamiento submiliKelvin es necesario para obtener efectos cuánticos: debido al principio de incertidumbre de Heisenberg , la longitud de onda de De Broglie, es decir, la longitud de onda atómica, puede llegar a ser comparable a la longitud de onda de la luz. Para obtener más información, consulte. [18] Gracias a esta técnica, se han investigado varios fenómenos, entre ellos el notable:

  • trinquetes cuánticos; [19]
  • la transición de Anderson en 3D. [20]

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