Nell'elettrodinamica quantistica, la scelta del gauge (ovvero lo specifico formalismo matematico utilizzato per regolare i gradi di libertà) può influenzare notevolmente la forma delle interazioni luce-materia. interessante, però, il principio "gauge invariance" implica che tutti i risultati fisici dovrebbero essere indipendenti dalla scelta di gauge del ricercatore. Il modello quantistico di Rabi, che è spesso usato per descrivere le interazioni luce-materia in cavità-QED, è stato scoperto che viola questo principio in presenza di un accoppiamento ultraforte di materia leggera, e studi passati hanno attribuito questo fallimento al troncamento a livello finito del sistema della materia.

Un team di ricercatori di RIKEN (Giappone), L'Università di Messina (Italia) e l'Università del Michigan (USA) hanno recentemente condotto uno studio che indaga ulteriormente su questo argomento. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , hanno identificato la fonte di questa violazione di gauge e hanno fornito un metodo per derivare Hamiltoniane di materia leggera in spazi di Hilbert troncati, che può produrre risultati fisici invarianti di gauge anche in regimi di interazione luce-materia estremi.

"L'accoppiamento ultraforte tra luce e materia ha, nell'ultimo decennio, passato da un'idea teorica a una realtà sperimentale, "Salvatore Savasta, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Si tratta di un nuovo regime di interazione quantistica luce-materia, che va oltre l'accoppiamento debole e forte per rendere la forza di accoppiamento paragonabile alle frequenze di transizione nel sistema. Questi regimi, oltre a consentire nuovi intriganti effetti fisici, così come molte potenziali applicazioni, rappresenta un'opportunità per approfondire la nostra comprensione degli aspetti sottili dell'interazione tra luce e materia."

Durante un evento organizzato dal Prof. Franco Nori, che è stato anche coinvolto nello studio, il resto del team ha appreso dell'esistenza di due manoscritti che indicavano una rottura dell'invarianza di gauge del modello quantistico di Rabi. Questa rottura si è verificata quando si considera l'interazione tra un sistema a due livelli e un risonatore elettromagnetico monomodale in presenza di una forte interazione atomo-campo.

"Poiché c'è un interesse in rapida crescita per il regime di accoppiamento ultraforte della cavità QED e poiché la simmetria di gauge è la pietra angolare della fisica moderna, abbiamo ritenuto questa situazione molto insoddisfacente, " Ha detto Savasta. "Queste ambiguità di misura determinano una parziale mancanza di prevedibilità dei modelli chiave nella cavità QED, che è un campo centrale nell'ottica quantistica e nelle tecnologie quantistiche".

Quando gli autori hanno iniziato a discutere di questi problemi, Savasta si ricordò improvvisamente di uno dei suoi primi articoli di ricerca, nonché uno studio più antico svolto dal suo relatore di tesi Raffaello Girlanda in collaborazione con Antonio Quattropani e Paolo Schwendimann. In questo particolare documento, i ricercatori hanno dimostrato che, al fine di preservare l'invarianza di gauge dei tassi di transizione multi-fotone nei solidi, è necessario aggiungere un termine correttivo alle interazioni standard elettrone-fotone.

"Abbiamo iniziato ad applicare queste idee al nostro obiettivo, che doveva derivare una descrizione quantistica dell'interazione luce-materia per le forze delle interazioni arbitrarie che sarebbero state libere da ambiguità di gauge, nonostante l'inevitabile approssimazione che di solito si introduce per gestire i calcoli, " ha detto Savasta.

In fisica, il "principio di gauge" afferma che ad ogni componente della quantità di moto nell'Hamiltoniana di un sistema di materia bisogna aggiungere la corrispondente componente della coordinata di campo. Questa procedura viene definita "sostituzione minima del giunto".

Savasta e i suoi colleghi hanno basato il loro lavoro su osservazioni raccolte da studi precedenti, che ha mostrato che le approssimazioni nella descrizione del sistema materia possono trasformare il potenziale atomico locale in uno non locale, che può essere espresso come operatori quantistici a seconda sia della sua posizione che della sua quantità di moto. In questo caso, per soddisfare il principio di gauge, la sostituzione minima del giunto deve essere applicata anche al potenziale.

"Abbiamo usato una tecnica da operatore, precedentemente sviluppato da uno degli autori, che è in grado di funzionare correttamente anche se l'effettivo potenziale non locale del sistema materia è sconosciuto, "Spiega Savasta.

"Fino ad ora, l'influenza dei potenziali non locali sull'interazione è stata considerata solo fino al secondo ordine nel potenziale vettore. Abbiamo scoperto che quando il sistema della materia è altamente non lineare e quando la forza di accoppiamento è molto alta, tutti gli ordini devono essere inclusi".

Lo studio condotto da Savasta e dai suoi colleghi offre spunti molto importanti per il campo dell'elettrodinamica quantistica. In primo luogo e soprattutto, il loro lavoro mostra che esiste un modo semplice per ottenere una descrizione invariante di gauge dell'interazione luce-materia che rimane valida nonostante le approssimazioni e con forze di interazione estreme.

"I nostri risultati fanno luce sull'invarianza di gauge nei regimi non perturbativi e di interazione estrema, oltre a risolvere controversie di lunga durata derivanti da ambiguità di gauge nei modelli quantistici Rabi e Dicke (un'estensione del modello quantistico Rabi per molti emettitori quantistici), " disse Savasta. "Così facendo, consentono una previsione/descrizione teorica precisa e inequivocabile dei risultati sperimentali nella cavità ultraresistente QED."

I risultati raccolti da questo team di ricercatori approfondiscono l'attuale comprensione degli aspetti quantistici sottili ma rilevanti dell'interazione tra luce e materia. Potrebbero anche aiutare a risolvere controversie e dibattiti in corso derivanti da osservazioni passate delle ambiguità di gauge nei modelli quantistici Rabi e Dicke. Nel futuro, i regimi estremi su cui si è concentrato il loro studio potrebbero dare origine a nuovi effetti fisici e applicazioni, mettendo anche alla prova le attuali conoscenze dei ricercatori sulla QED della cavità.

"Quando la forza di interazione è così alta, questioni fondamentali come la corretta definizione dei sottosistemi e delle loro misure quantistiche, la struttura degli stati fondamentali ibridi di materia leggera, o l'analisi delle interazioni dipendenti dal tempo è soggetta ad ambiguità che portano a previsioni anche qualitative distinte, Savasta ha detto. "Questi problemi offrono una possibilità senza precedenti per approfondire ulteriormente la nostra comprensione degli aspetti quantistici dell'interazione tra luce e materia. Ora stiamo lavorando attivamente per risolvere questi problemi".

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