I campi da baseball curvilinei hanno cose sorprendenti in comune con le particelle quantistiche descritte in un nuovo studio di fisica, sebbene questi ultimi volino in modo molto più strano.

Infatti, le particelle accoppiate ultrafredde chiamate fermioni devono comportarsi in modo ancora più strano di quanto i fisici pensassero in precedenza, secondo i fisici teorici del Georgia Institute of Technology, che studiavano matematicamente i loro schemi di volo. Già, le particelle quantistiche volanti erano famose per la loro stranezza.

Per capire perché, inizia con le somiglianze con una palla da baseball, quindi aggiungi differenze significative.

Un lanciatore impartisce rotazione, quantità di moto, ed energia a una palla da baseball quando si lancia una palla curva, un cambiamento, o un cursore. I buffi voli di Fermions sono anch'essi scolpiti da rotazioni, momento, ed energie, ma anche da potenti eccentricità quantistiche come l'entanglement, che Albert Einstein una volta chiamò "azione spettrale a distanza" tra particelle quantistiche.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno anche previsto che le particelle possono agire come diverse sfere quantistiche chiamate bosoni per imitare il modo in cui i fotoni, o particelle di luce, volare. Di seguito è riportata una spiegazione semplificata di queste particelle accoppiate ultrafredde e dei loro voli dispari.

Modellazione della materia leggera

Tutte queste influenze si combinano per dare ai fermioni un repertorio di traiettorie molto più strano di quello di qualsiasi maestro lanciatore di baseball, e il nuovo studio lo traccia e apre nuovi modi per osservarlo sperimentalmente. Il team della Georgia Tech ha adottato l'approccio insolito di aggiungere idee ottiche quantistiche, o simili alla luce, ai loro calcoli predittivi di questi granelli di materia ed è arrivato a sollevare le sopracciglia, risultati perspicaci.

"Il comportamento delle particelle che avevamo previsto è solo schizofrenico, " disse Uzi Landman, Regents' e Institute Professor e F.E. Callaway Endowed Chair nella School of Physics della Georgia Tech.

Dettagli matematici e teorici possono essere trovati nello studio sulla rivista Revisione fisica A , quale Landman, primo autore Benedikt Brandt, chi è un assistente di ricerca laureato, e lo scienziato senior Constantine Yannouleas pubblicato il 4 maggio, 2018. La loro ricerca è stata finanziata dall'Air Force Office of Scientific Research.

Spiegazione dei fermioni volanti

Tracciare curve quantistiche è controintuitivo per natura con concetti come fermioni, bosoni, gira, intrigo spettrale, e dualità particella-onda. Così, andiamo passo passo per comprenderli e gli approfondimenti dello studio.

Il gioco ruota attorno alle coppie di fermioni. I fermioni possono essere particelle subatomiche o atomi interi. In questo caso, i fisici modellarono usando gli atomi.

Il termine fermione si riferisce alle proprietà quanto-statistiche che la particella ha in contrapposizione alle proprietà della sua particella controparte chiamata bosone, in particolare lo spin della particella, che si chiama semiintero per i fermioni e intero per i bosoni. (Questi giri non sono esattamente come quelli su una palla. Per di più, vedi:Fermioni e bosoni per i manichini.)

"I fotoni e i bosoni di Higgs sono esempi di bosoni, " Landman ha detto. "I bosoni sono socievoli:due o più bosoni possono condividere lo stesso identico spazio. Ciò consente a molti di essi di essere sovrapposti l'uno all'altro nello stesso minuscolo punto".

"Fermioni, d'altra parte, sono scostanti. Reclamano il loro spazio, e non condividerlo con altre particelle. I fermioni possono essere impilati l'uno sull'altro ma non occupano lo stesso spazio."

elettroni, protoni, neutroni, e alcuni atomi sono esempi comuni di fermioni.

Palle da baseball con pinzette laser

Lo studio teorico prevede due atomi fermionici che partono con cura tenuti uno accanto all'altro da due paia di "pinzette" fatte di raggi laser intersecanti, come avviene effettivamente negli esperimenti di fisica applicabile. Nell'impostazione teorica dello studio, laser e speciali campi magnetici verrebbero utilizzati anche per rallentare i fermioni fino all'arresto, rendendoli "ultrafreddi" a 0,000000001 gradi Kelvin, o -273,15 gradi Celsius (-459,67 gradi Fahrenheit).

È una scheggia sopra lo zero assoluto, la temperatura più bassa possibile nell'universo, e le particelle che fredde fanno cose strane.

"Il movimento di una particella è solitamente frenetico, ma il raffreddamento lo rallenta quasi fino a fermarlo, " disse Landman, che è anche direttore del Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "E queste particelle hanno anche proprietà ondulatorie, e a quella temperatura, la lunghezza d'onda cresce enormemente."

"Le onde diventano di dimensioni di micron. Sarebbe come un sassolino che cresce fino a diventare un terzo delle dimensioni di questo paese. Quando ciò accade, l'atomo diventa effettivamente visibile al microscopio ottico."

La dimensione gonfiata rende più facile per i ricercatori conoscere le posizioni di partenza delle due particelle. Quando spengono le pinzette laser, i fermioni volano via. Anche le proprietà ondulatorie delle particelle hanno molto a che fare con i loro strani voli.

"Una particella in movimento agirà come un proiettile in determinate circostanze. Ma in altre, si comporterà come un'onda, "Ha detto Landman. "Noi la chiamiamo dualità del mondo quantistico".

Insieme o separati

"Se si installano due rivelatori in posizioni diverse ma alla stessa distanza dalla coppia di particelle, quanto spesso i due volino nello stesso rivelatore o quanto spesso volano in uno separato la dice lunga su quelle particelle, " disse Landman. "Ed è qui che entrano in gioco le nostre strane scoperte."

Ci si aspetta che i fermioni volino in modo diverso dai bosoni, ma lo studio dei fisici teorici sui fermioni rivede questa idea. A seconda del grado di entanglement quantistico tra i due fermioni prima che vengano rilasciati e in base al loro livello di energia, possono agire come fermioni o agire come bosoni.

"Questo aggiunge nuove stranezze alla già consolidata dualità schizofrenica particella-onda, " ha detto Landman.

"Una coppia di fotoni (che sono bosoni) volano nello stesso posto. Rimangono come una coppia, " disse Landman. "Sono animali sociali, e li trovi entrambi in un rivelatore o entrambi nell'altro. Chiamiamo questo fenomeno 'raggruppamento'".

Strani percorsi di volo

Spesso ci si aspetta che i fermioni facciano il contrario, indicato come anti-ammassamento, ma secondo lo studio il modo in cui volano dipende dal fatto che abbiano o meno un'interazione spettrale e, se è così, se l'interazione è attraente o ripugnante.

"Se interagiscono, e a seconda del livello di energia iniziale, prevediamo che possano fare cose strane quando volano, "Ha detto Landman. "Questo è nuovo."

"A livello di energia di base, chiamato stato fondamentale, i nostri due fermioni che interagiscono con la repulsione ultra forte si comportano fermionicamente, nel senso che si evitano a vicenda. Ora, se interagiscono con forte attrazione, si aggregano come fanno i bosoni, " disse Landman. "Finora, tutto come previsto."

Ma aumentando il livello di energia delle particelle intrappolate, o eccitazione, tramite un laser aggiuntivo o un campo magnetico, sembrerebbe aumentare la stranezza delle particelle. I livelli di eccitazione possono stravolgere le regole di ciò che le interazioni fanno al volo di un fermione, secondo lo studio teorico.

Per esempio, il suddetto comportamento fermionico solitamente connesso con una forte interazione repulsiva potrebbe trasformarsi in bosonico, secondo i calcoli dei fisici. In altre parole, le due particelle volererebbero allo stesso rivelatore come fanno i bosoni.

Schizofrenia quantistica ordinata

"Per quanto folle possa sembrare tutto questo, sembra esserci una forte affidabilità in questi comportamenti che potrebbero anche essere prevedibilmente e praticamente manipolati, " ha detto Landman.

Come con un lanciatore che affina il percorso di uno svitato, i fisici potrebbero determinare lo strano volo di un fermione usando una formulazione quantomeccanica, simulazione computazionale avanzata, e sperimentazione, lo studio ha detto.

"Sembra che potresti persino essere in grado di progettare cosa fa questa stranezza quantistica, " disse Landman. "Se conosci in modo affidabile gli stati delle particelle, potresti essere in grado di usarli come risorsa per i calcoli quantistici e l'archiviazione e il recupero delle informazioni."