I sistemi quantistici stimolati possono mostrare l’emergere di una localizzazione dinamica, che limita l’assorbimento di energia e causa la rottura dell’ergodicità, in contrasto con i sistemi guidati classici, che mostrano un comportamento caotico e un accumulo diffusivo di energia. Per molto tempo non è stato chiaro come si evolvano gli stati localizzati dinamicamente quando esistono interazioni tra molti corpi.
Un nuovo studio dei fisici di UC Santa Barbara e l’Università del Maryland, nonché l’Università di Washington, hanno trovato una risposta all’annosa questione della fisica: in che modo le interazioni interparticellari influenzano la localizzazione dinamica?
La domanda riguarda la fisica “a molti corpi”, che esplora le caratteristiche fisiche di un sistema quantistico con numerosi tipi di dati. I problemi a molti corpi sono stati oggetto di ricerca e discussione per decenni. La complessità di questi sistemi, insieme a fenomeni quantistici simili sovrapposizione ed aggrovigliamento, porta ad una vasta gamma di possibilità, rendendo difficile la risposta attraverso il solo calcolo.
Fortunatamente, questo problema non era fuori dalla portata di un esperimento che coinvolgeva atomi di litio ultrafreddi e laser. Quindi, secondo gli scienziati, a strano stato quantistico emerge quando si introduce l'interazione in un ambiente disordinato, caotico sistema quantistico.
David Weld(link is external), un fisico sperimentale dell'UCSB specializzato in fisica atomica ultrafredda e simulazione quantistica, ha affermato: "È uno stato anomalo, con proprietà che in un certo senso si collocano tra la previsione classica e la previsione quantistica non interagente."
“Quando si tratta di comportamenti strani e controintuitivi, il mondo quantistico non delude. Prendiamo, ad esempio, un pendolo regolare, che si comporterebbe esattamente come ci aspettiamo che si comporti se sottoposto a impulsi di energia.
"Se lo prendi a calci e lo scuoti su e giù di tanto in tanto, un pendolo classico assorbirà continuamente energia, inizierà a oscillare dappertutto ed esplorerà l'intero spazio dei parametri in modo caotico."
Il caos nei sistemi quantistici sembra diverso. Il disordine può causare una sorta di arresto delle particelle. Inoltre, mentre un pendolo quantistico calciato o “rotore” può inizialmente assorbire energia dai calci, simile a un pendolo classico, con calci ripetuti, il sistema smette di assorbire energia e la distribuzione della quantità di moto si blocca in quello che è noto come stato localizzato dinamicamente.
Questo stato localizzato è strettamente analogo al comportamento di un solido elettronico “sporco”, in cui il disordine risulta in elettroni immobili e localizzati. Fa sì che un solido passi dall'essere un metallo, o un conduttore (elettroni in movimento), a un isolante.
Sebbene questo stato di localizzazione sia stato esplorato per decenni nel contesto di singole particelle non interagenti, cosa succede in un sistema disordinato con più elettroni interagenti? Domande come questa e aspetti correlati del caos quantistico erano nella mente di Weld e del suo coautore, il teorico dell'Università del Maryland Victor Galitski, durante una discussione diversi anni fa mentre Galitski era in visita a Santa Barbara.
Weld ha ricordato, “Victor ha sollevato la questione di cosa accadrebbe se, invece di questo puro sistema quantistico non interagente e stabilizzato dall’interferenza, avessimo un mucchio di questi rotori, e tutti possano scontrarsi e interagire tra loro. La localizzazione persiste o le interazioni la distruggono?"
Galitski ha detto: “In effetti, è una questione complicata che riguarda i fondamenti della meccanica statistica e la nozione base di ergodicità, per cui la maggior parte dei sistemi interagenti alla fine si termalizzano in uno stato universale”.
“Immagina per un momento di versare il latte freddo nel caffè caldo. Le particelle nella tua tazza, nel tempo e attraverso le loro interazioni, si sistemeranno in uno stato di equilibrio uniforme che non è né puro caffè caldo o latte freddo. Questo tipo di comportamento – la termalizzazione – era previsto da tutti i sistemi interagenti. Cioè, fino a circa 16 anni fa, quando si sostenne che si pensava che il disordine in un sistema quantistico provocasse la localizzazione a molti corpi (MBL).”
“Questo fenomeno, riconosciuto dal Premio Lars Onsager all’inizio di quest’anno, è difficile da dimostrare teoricamente o sperimentalmente in modo rigoroso”.
Il team di Weld dispone degli strumenti, della tecnologia e delle conoscenze per far luce in modo efficace sulla questione. 100,000 atomi di litio ultrafreddo sono sospesi in un'onda stazionaria di luce nel gas del loro laboratorio. Ogni atomo rappresenta un rotore quantistico che gli impulsi laser possono innescare.
Utilizzando uno strumento di risonanza di Feshbach, gli scienziati possono mantenere gli atomi nascosti gli uni dagli altri o farli rimbalzare l'uno sull'altro con interazioni arbitrariamente forti. Girando una manopola, i ricercatori hanno potuto far passare gli atomi di litio dalla danza di linea al pogo e catturare i loro comportamenti.
Come anticipato, quando gli atomi non riuscivano a vedersi tra loro, riuscivano a resistere ai ripetuti colpi del laser fino a un certo punto, momento in cui cessavano di muoversi nella loro forma dinamicamente localizzata. Tuttavia, man mano che gli scienziati aumentavano l’interazione, non solo lo stato confinato scompariva, ma sembrava anche che il sistema assorbisse l’energia dai calci ripetuti, simulando un comportamento classico e caotico.
Weld ha detto: “Tuttavia, mentre il sistema quantistico disordinato e interagente assorbiva energia, lo faceva a un ritmo molto più lento di quanto farebbe un sistema classico”.
“Stiamo vedendo qualcosa che assorbe energia, ma non così bene come può fare un sistema classico. E sembra che l'energia stia crescendo all'incirca con la radice quadrata del tempo invece che linearmente con il tempo. Quindi le interazioni non lo rendono classico; è ancora uno strano stato quantico che mostra una non-localizzazione anomala”.
Gli scienziati hanno utilizzato un metodo chiamato eco. In questo metodo, l’evoluzione cinetica viene eseguita in avanti e poi all’indietro per misurare come le interazioni distruggono direttamente la reversibilità del tempo. Un indicatore cruciale del caos quantistico è la distruzione della reversibilità del tempo.
Il coautore Roshan Sajjad, uno studente ricercatore laureato del team del litio, ha affermato: “Un altro modo di pensare a questo è chiedersi: quanta memoria ha il sistema dopo un po’ di tempo dello stato iniziale?”
“In assenza di perturbazioni come collisioni di luce diffusa o gas, il sistema dovrebbe essere in grado di tornare al suo stato iniziale se la fisica viene eseguita al contrario. Nel nostro esperimento, invertiamo il tempo invertendo la fase dei calci, "annullando" gli effetti della prima serie normale di calci. Parte del nostro fascino risiedeva nel fatto che diverse teorie avevano previsto comportamenti diversi sull’esito di questo tipo di interazione, ma nessuno aveva mai fatto l’esperimento”.
L'autore principale Alec Cao ha detto: “L’idea approssimativa del caos è che, anche se le leggi del movimento sono reversibili nel tempo, un sistema composto da molte particelle può essere così complicato e sensibile alle perturbazioni che è praticamente impossibile tornare al suo stato iniziale. La svolta era che in uno stato effettivamente disordinato (localizzato), le interazioni interrompevano in qualche modo la localizzazione anche se il sistema perdeva la sua capacità di essere invertito nel tempo.
Sajjad ha detto, “Ingenuamente ci si aspetterebbe che le interazioni rovinino l'inversione temporale, ma abbiamo visto qualcosa di più interessante: una piccola interazione aiuta! Questo è stato uno dei risultati più sorprendenti di questo lavoro”.
Gli scienziati hanno condotto un esperimento complementare che ha prodotto risultati simili utilizzando atomi più pesanti in un contesto unidimensionale.
Gupta ha detto, “Gli esperimenti all’UW hanno operato in un regime fisico molto difficile con atomi 25 volte più pesanti limitati a muoversi in una sola dimensione, ma hanno anche misurato una crescita di energia più debole di quella lineare dovuta a calci periodici, facendo luce su un’area in cui i risultati teorici sono stati ottenuti in conflitto.”
Weld ha detto: “questi risultati, come molti importanti risultati di fisica, aprono più domande e aprono la strada a ulteriori esperimenti sul caos quantistico, in cui l’ambito collegamento tra classico e fisica quantistica potrebbero essere scoperti”.
Galitski ha commentato, “L'esperimento di David è il primo tentativo di sondare una versione dinamica di MBL in un ambiente di laboratorio più controllato. Anche se in un modo o nell’altro non ha risolto in modo inequivocabile la questione fondamentale, i dati mostrano che sta succedendo qualcosa di strano”.
Saldare disse, “Come possiamo comprendere questi risultati nel contesto dell’ampio corpus di lavori sulla localizzazione a molti corpi nei sistemi di materia condensata? Come possiamo caratterizzare questo stato della materia? Osserviamo che il sistema si sta delocalizzando, ma non con la dipendenza temporale lineare prevista; cosa sta succedendo là? Attendiamo con ansia futuri esperimenti che esplorino queste e altre domande”.
Riferimento della Gazzetta:
- Vedi Toh, JH, McCormick, KC, Tang, X. et al. Delocalizzazione dinamica a molti corpi in un gas ultrafreddo unidimensionale calciato. Naz. fisica. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01721-w
