I fisici della Rice University Matthew Foster e Seth Davis vogliono vedere un fastidioso puzzle quantistico da una prospettiva completamente nuova. Hanno solo bisogno del giusto punto di osservazione e di un luogo più freddo dello spazio profondo.

"C'è un processo nella fisica fortemente interattiva in cui le particelle fondamentali, come gli elettroni, possono unirsi e comportarsi come se fossero una frazione di un elettrone, " ha detto Davis, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Foster. "Si chiama frazionamento. È davvero esotico, processo fondamentale che si presenta teoricamente in molti luoghi. Potrebbe avere qualcosa a che fare con la superconduttività ad alta temperatura, e potrebbe essere utile per costruire computer quantistici. Ma è molto difficile da capire e ancora più difficile da misurare".

In un recente articolo in Lettere di revisione fisica , Foster e Davis, entrambi fisici teorici, ha proposto un esperimento per misurare il frazionamento non negli elettroni ma negli atomi così freddi da seguire le stesse regole quantistiche che dettano come si comportano gli elettroni nei materiali quantistici, una classe crescente di materiali con proprietà elettroniche e fisiche esotiche che i governi e l'industria stanno mirando per computer e dispositivi elettronici di prossima generazione.

I materiali quantistici includono superconduttori ad alta temperatura, uno dei misteri più enigmatici della fisica, e materiali che presentano fasi topologiche, che ha valso ai suoi scopritori il Premio Nobel 2016 per la Fisica. Quest'ultimo è l'unico posto in cui i fisici hanno misurato senza ambiguità il frazionamento, in uno stato elettronico esotico chiamato effetto Hall quantistico frazionario. In questo stato, i materiali piatti bidimensionali conducono elettricità solo lungo i loro bordi unidimensionali.

"Questo è un esempio 2-D, " ha detto Foster, assistente professore di fisica e astronomia alla Rice. "Ed è chiaro che lì si sta verificando il frazionamento perché se si misura la conduttanza di questi stati limite si comportano come se fossero fatti di particelle che si comportano come un terzo di un elettrone.

"Non ci sono particelle reali che trasportano un terzo della carica elettrica, " ha detto. "È solo l'effetto di tutti gli elettroni che si muovono insieme in modo tale che se crei un'eccitazione locale, si comporterà come un elettrone con un terzo di carica."

Foster e Davis hanno affermato che la motivazione principale per descrivere il loro test atomico ultrafreddo era quella di essere in grado di osservare il frazionamento in un sistema molto diverso dall'esempio frazionario di Hall quantistica.

"Quello a cui miriamo è vedere questa fisica in un altro contesto in modo non ambiguo, " ha detto Foster, un membro del Centro di Rice per i materiali quantistici (RCQM).

Il loro esperimento proposto prevede che gli atomi di raffreddamento laser agiscano come sostituti degli elettroni. In tali esperimenti, i laser si oppongono al movimento degli atomi, rallentandoli progressivamente a temperature sempre più fredde. Gli atomi freddi vengono intrappolati da altri laser che formano guide d'onda ottiche, canali unidimensionali in cui gli atomi possono muoversi a sinistra oa destra ma non possono muoversi l'uno intorno all'altro. Il comportamento quantistico degli atomi in queste guide unidimensionali imita il comportamento degli elettroni nei fili 1D.

"Tutti i singoli elementi dell'esperimento sono stati sviluppati, ma non crediamo che siano stati messi insieme in un'unica configurazione sperimentale, " Ha detto Foster. "È qui che abbiamo bisogno dell'aiuto di sperimentatori esperti nel raffreddamento laser".

Per osservare il frazionamento in un sistema ultrafreddo, Foster e Davis propongono di creare una serie di guide d'onda 1D parallele che si trovano tutte sullo stesso piano bidimensionale. Alcuni atomi aggiuntivi popolerebbero le guide 1D vicino al centro dell'esperimento.

"Quindi inizieremo con i fili 1D, ' o guide, e la densità iniziale nel mezzo, e poi lasceremo cadere alcuni dei laser e consentiremo agli atomi di interagire tra i fili in una specie di mesh 2-D, " ha detto Foster. "Possiamo descrivere molto accuratamente il sistema 1D, dove le interazioni forti fanno sì che gli atomi si comportino in modo correlato. Poiché l'intero sistema è quantomeccanico e coerente, quelle correlazioni dovrebbero essere impresse nel sistema 2-D.

"La nostra sonda sta lasciando andare quell'aumento di densità in più e osservando cosa fa, " disse. "Se gli atomi nelle guide 1D non interagiscono, quindi l'urto si diffonderà tra i fili. Ma, se ci fosse un frazionamento iniziale dovuto ad effetti correlati nei fili, quello che possiamo calcolare con sicurezza è che la densità farà qualcosa di completamente diverso. Andrà nella direzione opposta, volando giù per i fili."

Foster ha detto che è interessato a discutere la fattibilità del test con sperimentatori atomici ultrafreddi.

"Sappiamo che possono volerci anni per costruire e perfezionare alcune delle configurazioni sperimentali per questo tipo di esperimenti, " Ha detto Foster. "Come teorici, conosciamo gli ingredienti di cui abbiamo bisogno, ma non sappiamo quali saranno più difficili da implementare o se potrebbe essere più facile modificare alcune impostazioni rispetto ad altre. È lì che avremo bisogno dell'aiuto dei nostri colleghi sperimentali".