I fisici dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo approccio per accoppiare i campi di gauge quantizzati alla materia ultrafredda. Il metodo potrebbe essere la base per una piattaforma versatile per affrontare problemi che vanno dalla materia condensata alla fisica delle alte energie.

L'interazione tra campi e materia è un tema ricorrente in tutta la fisica. Casi classici come le traiettorie di un corpo celeste che si muove nel campo gravitazionale di altri o il moto di un elettrone in un campo magnetico sono estremamente ben compresi, e le previsioni possono essere fatte con una precisione sorprendente. Però, quando il carattere quantistico delle particelle e dei campi coinvolti deve essere preso in considerazione in modo esplicito, allora la situazione diventa rapidamente complessa. E se, Inoltre, il campo dipende dallo stato delle particelle che si evolvono in esso, quindi i calcoli possono sfuggire alla portata anche dei computer più potenti di oggi.

I limiti dell'esplorazione dei regimi di interazione dinamica tra i campi e la materia ostacolano il progresso in aree che vanno dalla fisica della materia condensata alla fisica delle alte energie. Ma c'è un approccio alternativo:invece di calcolare la dinamica, simularli. notoriamente, per sistemi planetari, i modelli meccanici noti come planetari furono costruiti molto prima che venissero sviluppati i computer digitali. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno sviluppato i cosiddetti simulatori quantistici in cui le dinamiche sconosciute di un sistema quantistico vengono emulate usando un altro, uno più controllabile. Come riportano oggi sul giornale Fisica della natura , Frederik Görg e i colleghi del gruppo di Tilman Esslinger del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo hanno ora compiuto progressi sostanziali verso simulatori quantistici che potrebbero essere impiegati per affrontare classi generali di problemi in cui la dinamica della materia e i campi sono accoppiati.

Risultati difficili da valutare

Gorg et al. non guardava direttamente i campi gravitazionali o elettromagnetici, ma nei cosiddetti campi di gauge. Questi sono campi ausiliari che in genere non sono direttamente osservabili negli esperimenti, ma tanto più potente come quadro coerente per il trattamento matematico delle interazioni tra particelle e campi. Come concetto centrale in fisica, i campi di misura offrono un percorso unico per comprendere le forze:la forza elettromagnetica e quelle che tengono insieme le particelle subatomiche. Di conseguenza, c'è un notevole interesse per le simulazioni quantistiche dei campi di gauge, che potrebbe fornire nuove informazioni su situazioni che attualmente non possono essere esplorate con calcoli o simulazioni al computer.

Una delle piattaforme attualmente leader per la simulazione di sistemi quantistici complessi si basa su atomi che vengono raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto e intrappolati in strutture reticolari create dalla luce laser. Un importante progresso negli ultimi anni è stata la realizzazione che gli atomi possono essere usati per imitare il comportamento degli elettroni in un campo magnetico, anche se gli atomi non hanno carica elettrica. La chiave per raggiungere questo obiettivo è l'uso di parametri di controllo esterni per guidare il processo di tunneling quantistico mediante il quale gli atomi si muovono tra i siti adiacenti del reticolo ottico. Adattando opportunamente la fase complessa che le particelle quantistiche raccolgono in un evento tunnel, noto come fase di Peierls, è possibile far sì che gli atomi neutri si comportino esattamente come particelle cariche che si muovono in un campo magnetico. La dinamica ingegnerizzata in questi campi di gauge sintetici può essere paragonata a quella dei classici planetari, in cui i pianeti modello si muovono come se fossero sottoposti a una sostanziale attrazione gravitazionale da un corpo centrale, emulando il comportamento dei pianeti reali.

Scuotere il campo

Il gruppo Esslinger e altri hanno già utilizzato la piattaforma dell'atomo ultrafreddo per creare campi a scartamento artificiale risultanti da complesse fasi di tunneling. Ma così lontano, questi campi ingegnerizzati erano intrinsecamente classici, e non includeva l'azione di ritorno dagli atomi al campo di gauge. Da qui l'entusiasmo mentre Görg e i suoi collaboratori presentano ora un modo flessibile per ottenere l'accoppiamento tra atomi e campi di gauge. Propongono e implementano una procedura per rendere la fase di Peierls dipendente da come gli atomi sono distribuiti nel reticolo. Quando la distribuzione cambia in conseguenza dell'interazione con il campo di gauge, il campo di misura stesso è alterato. È come se il planetario accelerasse o rallentasse a seconda della costellazione planetaria (che non è necessaria per modellare la semplice meccanica celeste, poiché l'interazione tra i pianeti è trascurata). Nel caso di un simulatore quantistico per campi di gauge quantistici, però, l'interazione tra le particelle è un ingrediente essenziale.

Negli esperimenti ora riportati, i fisici dell'ETH hanno creato un reticolo ottico che consiste di "dimeri, " ciascuno costituito da due siti vicini in cui gli atomi fermionici possono risiedere singolarmente o in coppia (vedi figura). Il tunneling tra i siti del dimero è controllato scuotendo il reticolo a due frequenze diverse con un attuatore piezoelettrico. Le frequenze e le fasi della modulazione sono scelte in modo tale che la fase di Peierls tra i siti dipenda dal fatto che un atomo condivida o meno il suo sito dimero con un altro atomo di spin opposto (vedi l'animazione).

La generalità conta

Il passo verso l'ingegneria dei campi di misura che sono accoppiati alla materia ultrafredda è importante. Gli atomi ultrafreddi nei reticoli ottici sono già affermati come una piattaforma versatile per le simulazioni quantistiche, compresa l'emulazione di complessi fenomeni elettronici che si verificano nei materiali allo stato solido. L'attuale lavoro di Görg et al., insieme ai recenti progressi correlati di altri gruppi, promette che in un futuro non troppo lontano si potranno affrontare anche campi di gauge quantistici più complessi, in particolare quelli che appaiono nella fisica delle alte energie e sfidano gli attuali approcci di simulazione classica.

Un punto di forza dell'approccio di Görg et al. è che può essere utilizzato per progettare una varietà di diversi campi di gauge quantizzati, al di là dello scenario specifico che hanno esplorato sperimentalmente nel paper appena pubblicato, come mostrano sulla base di considerazioni teoriche. E poiché il lavoro dimostra anche uno squisito controllo sperimentale su un sistema atomico a molti corpi altamente sintonizzabile, ora c'è la prospettiva chiara e intrigante di un moderno planetario che fornisce informazioni non sui movimenti nel cielo, ma in profondità nel mondo quantistico.