Con le sue sfere metalliche sospese che tintinnano avanti e indietro, La culla di Newton è più di un popolare giocattolo da scrivania. Ha insegnato a una generazione di studenti la conservazione della quantità di moto e dell'energia. È anche l'ispirazione per un esperimento Benjamin Lev, professore associato di fisica e di fisica applicata alla Stanford University, ha creato per studiare i sistemi quantistici.

Lev e il suo gruppo hanno costruito la propria versione quantistica della culla di Newton per rispondere a domande su come il movimento caotico delle particelle quantistiche alla fine porti all'equilibrio termico in un processo chiamato termalizzazione. Rispondere a come ciò si verifica nei sistemi quantistici potrebbe aiutare nello sviluppo di computer quantistici, sensori e dispositivi, che Lev definisce una "rivoluzione dell'ingegneria quantistica".

"Se vogliamo essere in grado di creare dispositivi robusti e utili, dobbiamo capire come i sistemi quantistici si comportano fuori equilibrio - quando vengono presi a calci, come la culla di Newton - a un livello tanto fondamentale quanto comprendiamo che per i sistemi classici, " ha detto Lev.

Con la culla, i ricercatori hanno osservato per la prima volta come, dopo aver indotto piccole quantità di movimento caotico, un sistema quantistico raggiunge l'equilibrio termico. Hanno pubblicato i loro risultati il ​​2 maggio in Revisione fisica X .

I risultati di questi esperimenti, che non corrispondeva alle previsioni precedenti, hanno portato a una teoria su come funziona questo processo nei sistemi quantistici.

Estremamente freddo, fortemente magnetico

Il turbolento vortice del latte aggiunto al caffè è un familiare esempio di caos nel mondo non quantistico. Col tempo, la miscela di caffè diventa omogenea e, perciò, raggiunge l'equilibrio. Quello che il laboratorio Lev voleva sapere è come avviene questa evoluzione nei sistemi quantistici dopo che hanno indotto solo un tocco di caos. Attraverso esperimenti con la loro culla, i ricercatori sono stati i primi ad osservare questo processo mentre accadeva.

La culla quantistica di Newton del laboratorio Lev è diversa da qualsiasi cosa tu abbia visto nel cubicolo del tuo collega. I ricercatori fanno brillare raggi laser attraverso una camera ermetica per raffreddare un gas di atomi fino quasi allo zero assoluto - uno dei gas più freddi conosciuti nell'universo - e poi caricano quegli atomi in una serie di tubi laser che fungono da struttura per il La culla di Newton. Ognuna delle 700 culle parallele contiene circa 50 atomi di fila. Quindi, un altro laser colpisce gli atomi, iniziare il movimento della culla.

A differenza di una precedente culla quantistica di Newton sviluppata da David Weiss alla Penn State, dove atomi debolmente magnetici prendevano il posto delle sfere metalliche della culla, la culla del laboratorio di Lev include atomi fortemente magnetici.

Questo lavoro si basa sul precedente risultato del laboratorio di realizzare il primo gas quantistico dell'elemento altamente magnetico disprosio, legato al terbio come il più magnetico di tutti gli elementi. Il presidente Obama ha conferito a Lev un Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers per questa pietra miliare nel 2011. Sono stati gli atomi di disprosio che i ricercatori hanno caricato nella camera ermetica.

I ricercatori possono mettere a punto il modo in cui questi atomi influenzano i loro vicini. Possono far agire la culla come se gli atomi non fossero magnetici in modo da produrre il movimento periodico tipico della culla di Newton. Oppure possono produrre un movimento caotico aumentando il magnetismo, come una culla di Newton con magneti legati alle sfere.

Fino ad ora, i fisici non hanno una teoria su come la termalizzazione si presenti nei sistemi quantistici sottilmente caotici. La ricerca precedente con simulazioni computazionali ha portato a conclusioni diverse. Ora, attraverso i loro esperimenti, i ricercatori hanno mostrato direttamente che l'oscillazione delle culle ha raggiunto l'equilibrio in una sequenza di due fasi esponenziali, che è stato un risultato inaspettato.

Hanno anche confermato i loro risultati sperimentali in un'ampia simulazione al computer. Sulla base di questi esperimenti e simulazioni, il gruppo ha sviluppato una teoria che spiega le loro scoperte.

"Significa che possiamo avere una visione molto generale, semplice teoria su come i sistemi quantistici complicati come questo si termalizzano, " Ha detto Lev. "Questo è bello perché ti permette di tradurlo in altri sistemi".

Atomo per atomo

Già, i ricercatori hanno pianificato diversi esperimenti per la culla di Newton quantistica magnetica e anticipano molte più opportunità per costruire su questo lavoro mentre la rivoluzione quantistica si evolve.

"Tecnologie laser molto sofisticate possono manipolare sistemi atomo per atomo, " disse Yijun Tang, uno studente di dottorato recentemente laureato nel laboratorio Lev e autore principale dell'articolo. "Così, forse quello che possiamo fare andrà oltre le questioni scientifiche fondamentali. Forse, ad un certo punto, possiamo trasformare queste tecnologie anche in qualcosa di più pratico."

Negli esperimenti a venire, i ricercatori possono aggiungere disturbo ai tubi della culla, sotto forma di luce laser maculata, per vedere se riescono a creare una sorta di vetro quantistico che sfugge alla termalizzazione. Gli esperimenti che hanno contribuito a questo articolo sono stati tutti condotti con una versione di isotopi di disprosio, chiamati bosoni, quindi il gruppo prevede di ripetere il suo lavoro anche con la versione alternativa, fermioni. Non sono sicuri se il passaggio ai fermioni farà la differenza per la termalizzazione, Lev ha detto, e avrebbero accolto con favore un'altra sorpresa.