Un'asta cilindrica è simmetrica alla rotazione:dopo ogni rotazione arbitraria attorno al suo asse sembra sempre la stessa. Se gli viene applicata una forza sempre maggiore in direzione longitudinale, però, alla fine si piegherà e perderà la sua simmetria rotazionale. Tali processi, nota come "rottura spontanea di simmetria", si verificano anche in modi sottili nel mondo quantistico microscopico, dove sono responsabili di una serie di fenomeni fondamentali come il magnetismo e la superconduttività. Un team di ricercatori guidato dal professore dell'ETH Tilman Esslinger e dallo scienziato senior Tobias Donner presso l'Institute for Quantum Electronics ha ora studiato in dettaglio le conseguenze della rottura spontanea della simmetria utilizzando un simulatore quantistico. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Scienza .

Transizioni di fase causate dalla rottura della simmetria

Nel loro nuovo lavoro, Esslinger e i suoi collaboratori si interessarono in modo particolare alle transizioni di fase:processi fisici, questo è, in cui le proprietà di un materiale cambiano drasticamente, come il passaggio di un materiale da solido a liquido o la magnetizzazione spontanea di un solido. In un particolare tipo di transizione di fase causata dalla rottura spontanea della simmetria, compaiono le cosiddette modalità Higgs e Goldstone. Queste modalità descrivono come le particelle di un materiale reagiscono collettivamente a una perturbazione dall'esterno. "Finora tali eccitazioni collettive sono state rilevate solo indirettamente, " spiega Julian Léonard, che ha conseguito il dottorato nel laboratorio di Esslinger, ora lavora come post-doc presso l'Università di Harvard, "ma ora siamo riusciti ad osservare direttamente il carattere di quei modi, che è dettata dalla simmetria."

Sombrero nel simulatore quantistico

Per quello scopo, i fisici hanno costruito un simulatore quantistico - un sistema di laboratorio, questo è, in cui i fenomeni quantistici possono essere studiati nella loro forma più pura e in condizioni controllate. Il simulatore quantistico utilizzato dai ricercatori dell'ETH è costituito da atomi di rubidio estremamente freddi che sono esposti a diverse onde luminose. Utilizzando due risonatori ottici, viene creato un accoppiamento tra gli atomi e le onde luminose che fa sì che la forma dell'energia potenziale degli atomi di rubidio assomigli a un'insalatiera a rotazione simmetrica. Le coordinate della superficie energetica corrispondono all'intensità della luce nei due risonatori. Un raggio laser che crea un cosiddetto reticolo ottico può quindi essere utilizzato per modificare questa superficie simile a un'insalatiera in modo tale che, al di sopra di una forza critica del raggio laser, inizia a somigliare a un sombrero messicano con un rigonfiamento al centro.

In tali circostanze, proprio come nel caso dello stelo cilindrico, si verifica una rottura spontanea della simmetria:proprio come l'asta si è improvvisamente piegata in una direzione spaziale casuale, gli atomi nell'esperimento di Esslinger, che è iniziata nel mezzo dell'insalatiera, ora tutti insieme cercano un nuovo minimo energetico. Quel minimo può trovarsi ovunque lungo il solco del sombrero, poiché ogni punto lungo il solco ha la stessa energia. Ciò significa anche, però, che (energicamente parlando) gli atomi possono essere spostati collettivamente lungo il solco senza alcun apporto di energia - questo corrisponde alla cosiddetta modalità Goldstone. Al contrario, se si vuole spingerli radialmente, lontano dal centro del sombrero o verso di esso, si deve fornire l'energia necessaria per questa modalità Higgs. Ancora, questo può essere paragonato a una canna con fibbia, che è facile da ruotare ma difficile da piegare ulteriormente.

Modalità di misurazione in tempo reale

"Normalmente, Le modalità Goldstone e Higgs vengono rilevate indirettamente tramite quell'energia", dice Andrea Morales, un dottorando e membro del gruppo di ricerca, "ma ora siamo stati in grado di studiare in tempo reale come si comportano quei modi quando il sistema è perturbato". Fare così, i ricercatori hanno inviato un breve impulso laser in uno dei risonatori ottici e poi hanno misurato l'intensità della luce in entrambi i risonatori in funzione del tempo. Ciò ha permesso loro di calcolare la posizione degli atomi all'interno del sombrero energetico. Come previsto, dopo aver eccitato una modalità Goldstone, è cambiata solo la coordinata angolare lungo la scanalatura, mentre nella modalità di Higgs era la posizione radiale che variava.

Per Tilman Esslinger, questa osservazione diretta di un importante e diffuso fenomeno a molti corpi - che finora poteva essere osservato solo indirettamente - rappresenta uno dei punti di forza essenziali del simulatore quantistico:"In quei sistemi quantistici sintetici abbiamo una realizzazione abbastanza ideale di ciò che accade in natura - nei solidi e anche nelle singole molecole. L'osservazione diretta della dinamica dei modi Goldstone e Higgs nel simulatore quantistico approfondisce la nostra comprensione di ciò che accade in tali sistemi naturali."