Un gruppo di ricercatori dalla Russia, La Germania e l'Iran hanno sviluppato metodi computazionali verso una teoria che descrive il comportamento di atomi e ioni freddi nelle trappole ottiche ed elettromagnetiche. Tali metodi potrebbero consentire la modellazione con sistemi quantistici completamente controllati di processi complessi nella fisica dello stato solido e nella fisica delle alte energie. Altre possibili applicazioni includono la progettazione di elementi di un computer quantistico e un orologio atomico ultra preciso basato su atomi e ioni ultrafreddi intrappolati. I risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica E .

A temperature ultrabasse, gli atomi si muovono a una velocità molto bassa, che consente ai ricercatori di condurre esperimenti di alta precisione. Però, interpretare e pianificare gli esperimenti, sono necessari calcoli teorici. Il Dr. Vladimir Melezhik della RUDN University è impegnato nel calcolo dei fenomeni risonanti e dei processi di collisione nei gas quantistici ultrafreddi. Il gas quantico viene trattenuto a temperature ultrabasse in una trappola ottica formata da fasci laser appositamente sintonizzati. La tecnica sperimentale consente di controllare e mettere a punto i parametri di tali sistemi quantistici:il numero di particelle, la loro composizione di spin, temperatura, e l'effettiva interazione tra gli atomi. Però, la descrizione quantitativa dei processi è significativamente complicata dal fatto che in tali sistemi, gli atomi interagiscono non solo tra loro, ma anche con la trappola.

Vladimir Melezhik e i suoi coautori si concentrano sulle trappole atomiche e ioniche, che hanno la forma di sigari molto allungati e sono simili alle guide d'onda utilizzate per la trasmissione delle onde elettromagnetiche. I ricercatori studiano da tempo la propagazione della radiazione elettromagnetica nelle guide d'onda, e hanno sviluppato metodi di calcolo efficaci. Però, una teoria quantitativa che potrebbe descrivere i processi ultrafreddi nelle guide d'onda atomiche e ioniche è ancora in fase di sviluppo.

"La trappola aggiunge complessità al problema. Nello spazio libero, non ci sono direzioni preferite. Questa circostanza rende possibile ridurre il problema quantistico a due corpi a sei dimensioni di due atomi in collisione a uno unidimensionale. Questo è il problema chiave della meccanica quantistica, descritto nei libri di testo. Però, nella trappola atomica, a causa della comparsa di una direzione preferita, viene violata la simmetria che rende impossibile ridurre il problema a unidimensionale. In certi casi il problema può essere ridotto all'equazione di Schrödinger bidimensionale. Però, nei casi più interessanti diventa necessario integrare l'equazione di Schrödinger in dimensioni superiori. Per risolvere questa classe di problemi, è necessario sviluppare metodi computazionali speciali e utilizzare computer potenti. Siamo riusciti a fare progressi significativi su questo passaggio, " ha detto l'autore Vladimir Melezhik.

Modificando i parametri della trappola, i ricercatori possono controllare l'intensità delle interazioni interatomiche efficaci, dall'attrazione superforte alla repulsione superforte degli atomi. Ciò rende possibile simulare vari fenomeni quantistici critici utilizzando atomi intrappolati ultrafreddi.

"Una delle aree del nostro lavoro è uno studio numerico di sistemi quantistici ultrafreddi che utilizzano trappole ibride atomiche, offrendo nuove possibilità per modellare alcuni processi reali della fisica dello stato solido, elementi di informatica quantistica e ricerca fisica di precisione, "concluse lo scienziato.