Monika Aidelsburger utilizza un tipo speciale di reticolo ottico per simulare fenomeni quantistici a molti corpi altrimenti inaccessibili all'esplorazione sperimentale. Ora ha ricevuto un ERC Starting Grant per portare avanti questo lavoro.

Nell'ultimo decennio, ricercatori guidati dal professor Immanuel Bloch, che detiene una cattedra in Fisica Sperimentale presso LMU, hanno sviluppato diverse tecniche e strategie per sondare i segreti del mondo quantistico. Sono stati fatti molti progressi, ma molti fenomeni di interesse restano inesplorati, e gli schemi teorici sono spesso difficili da testare. Il team di Bloch è principalmente interessato alle interazioni quantistiche che possono essere modellate utilizzando gas ultrafreddi intrappolati in reticoli ottici formati da raggi laser. Dott.ssa Monika Aidelsburger, capo di un gruppo di ricerca nel dipartimento di Bloch, ha ora ricevuto una sovvenzione iniziale altamente dotata dal Consiglio europeo della ricerca (ERC) per estendere questa linea di lavoro. Il suo scopo è utilizzare atomi di itterbio ultrafreddi intrappolati in reticoli ottici per simulare modelli di comportamento quantistico nella materia condensata su una scala di tre ordini di grandezza maggiore rispetto ai solidi reali.

Infatti, Aidelsburger, che fa anche parte del Max Planck Institute for Quantum Optics, spera di portare avanti questa strategia, e usarlo per simulare "teorie del reticolo", che descrivono le interazioni fondamentali tra le particelle in termini di "campi di misura". In questi modelli, i campi di materia (particelle di sostanza) sono rappresentati come punti su un reticolo fittizio, ei campi di forza che agiscono su di essi sono rappresentati dai collegamenti tra questi nodi. Le teorie del reticolo di gauge sono di fondamentale importanza in molti rami della fisica quantistica. Non solo costituiscono la base per il Modello Standard della fisica delle particelle, possono essere applicati anche alla fisica che sta alla base del comportamento degli elettroni fortemente interagenti nei solidi, e può spiegare fenomeni importanti nell'elettrodinamica quantistica. Perciò, L'approccio sperimentale di Aidelsburger alla simulazione delle teorie di gauge reticolari nei reticoli ottici fornirebbe un collegamento tra la fisica classica e quella quantistica, e consentire simulazioni analoghe di fenomeni osservati in contesti diversi dalla fisica dello stato solido. La ricerca di Aidelsburger si è finora concentrata sulla simulazione degli effetti dei campi magnetici. "Questo perché anche i campi magnetici possono essere descritti in termini di campi di gauge, " spiega. I fisici sperano di estendere queste idee e applicarle ad altri fenomeni quantistici a molti corpi che sono rimasti in gran parte inaccessibili.

Due stati longevi

La piattaforma sperimentale è attualmente in fase di progettazione e presto i tavoli ottici nel laboratorio di Aidelsburger saranno dotati di lenti e specchi accuratamente posizionati, laser e fibre ottiche. Manipolazioni controllate di atomi ultrafreddi nei reticoli ottici sono già state utilizzate con successo per sondare e simulare fenomeni quantistici osservati nei sistemi di materia condensata. Questi esperimenti sono stati condotti in condizioni in cui gli atomi possono "tunnel" tra siti reticolari, sebbene i loro moti collettivi siano influenzati dai parametri globali dei reticoli. L'estensione della strategia alle teorie di gauge del reticolo richiederà un controllo sito-specifico sui movimenti degli atomi nel reticolo.

La realizzazione di un simile esperimento è estremamente impegnativa, perché le simmetrie inerenti alle teorie di gauge devono essere riprodotte con precisione. "Un'implementazione di successo richiede l'uso di approcci completamente nuovi, " dice Aidelsburger. "Ciò comporta un alto rischio, ma avere un simulatore quantistico funzionante di un tale modello costituirebbe un enorme passo avanti." Il team di Bloch ha imparato molto su come mantenere i gas quantistici a temperature solo di un pizzico sopra lo zero assoluto, generare e manipolare reticoli ottici e controllare i movimenti degli atomi di vari elementi come rubidio, sodio e litio, per citarne solo alcuni. Gli esperimenti di Aidelsburger utilizzeranno atomi di iterbio (Yb), perché mostrano due stati quantistici di lunga durata, che li rendono particolarmente utili per le simulazioni pianificate. Saranno impiegati fasci laser fortemente focalizzati per controllare in modo specifico il movimento degli atomi all'interno del reticolo. Nella simulazione, i due stati atomici giocheranno sia il ruolo delle particelle di materia sia le particelle che mediano le forze che agiscono su di esse.

È tecnicamente possibile accoppiare il moto dei due stati di lunga durata degli atomi di Yb nel reticolo. "Questo accoppiamento locale ci consente per la prima volta di rappresentare sperimentalmente i mattoni fondamentali delle semplici teorie di gauge reticolari in un ambiente sperimentale, " dice Aidelsburger. Inoltre, la tecnica può essere facilmente estesa a strutture reticolari più grandi e di dimensioni maggiori. Ciò consentirebbe ai ricercatori di simulare teorie di gauge reticolari che svolgono un ruolo importante sia nella fisica della materia condensata che nell'elettrodinamica quantistica utilizzando procedure sperimentali trattabili. Sarebbe un risultato davvero rivoluzionario. "La nostra strategia apre opportunità sperimentali completamente nuove per esplorare determinati fenomeni e sviluppare idee per nuove teorie, "dice Aidelsburger.

Le regolazioni fini

La prospettiva di poter lavorare per i prossimi anni nel dipartimento di Immanuel Bloch come professore di ruolo è stata una delle ragioni per cui ha deciso di tornare a Monaco dopo il suo periodo come postdoc al Collège de France di Parigi. "I giovani ricercatori hanno bisogno di tali prospettive a lungo termine, " lei dice, "soprattutto se desiderano svolgere un compito sperimentale così complesso e impegnativo". La progettazione e la costruzione di un nuovo sistema possono richiedere fino a tre anni. Si comincia con modelli semplici, e si chiede se la loro simulazione produce risultati che concordano con quelli ottenuti con la teoria, o sono compatibili con le previsioni derivate utilizzando metodi numerici ben consolidati, come le simulazioni Monte Carlo. Questi test servono come scala di calibrazione per gli esperimenti e consentono ai ricercatori di regolare le condizioni in modo appropriato e aumentare gradualmente il livello di complessità degli esperimenti. Inoltre, i sistemi sperimentali devono essere costantemente controllati per assicurare che forniscano una corretta descrizione dei fenomeni che si prefiggono di descrivere. "È qui che è particolarmente importante una stretta collaborazione con teorici in altri campi, ", afferma Aidelsburger. "I rischi coinvolti sono considerevoli, poiché questo è un territorio in gran parte sconosciuto per tutti noi. Dobbiamo riunire aree molto diverse della fisica. È mia fervida speranza che i primi esperimenti con modelli semplici diano risultati che trovino eco in diverse discipline".

Nei modelli più semplici, gli atomi Yb possono adottare uno dei due stati definiti, lo stato fondamentale e un singolo stato eccitato metastabile. L'obiettivo è quello di aggiungere progressivamente ulteriori stati al sistema, consentendo interazioni più complesse da implementare. Questo sarebbe un passo importante verso l'obiettivo finale di utilizzare atomi ultrafreddi per simulare la forza nucleare forte - l'interazione tra quark (i costituenti fondamentali dei nuclei atomici) e gluoni (le particelle di forza che tengono insieme i nuclei atomici). Quest'ultimo compito richiederà l'implementazione di teorie di gauge reticolari molto più complesse.

Le singole celle in reticoli ottici bidimensionali costituiti da 100 × 100 atomi possono ora essere indirizzate e le loro occupazioni controllate, consentendo di osservare in dettaglio gli effetti dinamici. Così, è possibile determinare se una particolare cella reticolare è occupata o meno in condizioni specifiche, e lo stato di ogni atomo nel reticolo può essere sondato praticamente in tempo reale. Con questi successi alle spalle, i fisici sono sulla buona strada per realizzare l'idea di un simulatore quantistico che il famoso fisico americano Richard Feynman ha formulato negli anni '80. "Speriamo che il nostro assetto apra la strada per indagare sperimentalmente questioni fondamentali nella cromodinamica quantistica, " dice Aidelsburger – prima di aggiungere un qualificatore enfatico:"Ma siamo ancora all'inizio".