Un fenomeno fisico esotico, coinvolgendo onde ottiche, campi magnetici sintetici, e l'inversione del tempo, è stato osservato direttamente per la prima volta, dopo decenni di tentativi. La nuova scoperta potrebbe portare alla realizzazione delle cosiddette fasi topologiche, e infine ai progressi verso i computer quantistici tolleranti ai guasti, dicono i ricercatori.

La nuova scoperta riguarda l'effetto Aharonov-Bohm non abeliano ed è riportata oggi sulla rivista Scienza dallo studente laureato del MIT Yi Yang, Chao Peng, visiting scholar del MIT (professore all'Università di Pechino), Di Zhu, studente laureato del MIT, Professor Hrvoje Buljan presso l'Università di Zagabria in Croazia, Francis Wright Davis Professore di fisica John Joannopoulos al MIT, Il professor Bo Zhen dell'Università della Pennsylvania, e il professore di fisica del MIT Marin Soljacic.

La scoperta riguarda campi di gauge, che descrivono le trasformazioni che subiscono le particelle. I campi di misura si dividono in due classi, noto come abeliano e non abeliano. L'effetto Aharonov-Bohm, prende il nome dai teorici che lo predissero nel 1959, ha confermato che i campi di gauge, oltre ad essere un puro aiuto matematico, hanno conseguenze fisiche.

Ma le osservazioni hanno funzionato solo nei sistemi abeliani, o quelli in cui i campi di gauge sono commutativi, cioè avvengono allo stesso modo sia avanti che indietro nel tempo. Nel 1975, Tai-Tsun Wu e Chen-Ning Yang hanno generalizzato l'effetto al regime non abeliano come un esperimento mentale. Tuttavia, non era chiaro se sarebbe stato possibile osservare l'effetto in un sistema non abeliano. I fisici non avevano modi per creare l'effetto in laboratorio, e mancava anche di modi per rilevare l'effetto anche se poteva essere prodotto. Ora, entrambi questi enigmi sono stati risolti, e le osservazioni svolte con successo.

L'effetto ha a che fare con uno degli aspetti strani e controintuitivi della fisica moderna, il fatto che praticamente tutti i fenomeni fisici fondamentali sono tempo-invarianti. Ciò significa che i dettagli del modo in cui le particelle e le forze interagiscono possono andare avanti o indietro nel tempo, e un film su come si svolgono gli eventi può essere eseguito in entrambe le direzioni, quindi non c'è modo di dire quale sia la versione reale. Ma alcuni fenomeni esotici violano questa volta la simmetria.

La creazione della versione abeliana degli effetti Aharonov-Bohm richiede la rottura della simmetria di inversione temporale, un compito impegnativo in sé, dice Soljacic. Ma per ottenere la versione non abeliana dell'effetto è necessario interrompere questa inversione temporale più volte, e in modi diversi, rendendolo una sfida ancora più grande.

Per produrre l'effetto, i ricercatori usano la polarizzazione dei fotoni. Quindi, hanno prodotto due diversi tipi di rottura dell'inversione del tempo. Hanno usato le fibre ottiche per produrre due tipi di campi di gauge che hanno influenzato le fasi geometriche delle onde ottiche, prima inviandoli attraverso un cristallo polarizzato da potenti campi magnetici, e in secondo luogo modulandoli con segnali elettrici variabili nel tempo, entrambi i quali rompono la simmetria di inversione temporale. Sono stati quindi in grado di produrre schemi di interferenza che hanno rivelato le differenze nel modo in cui la luce è stata influenzata quando inviata attraverso il sistema in fibra ottica in direzioni opposte, in senso orario o antiorario. Senza la rottura dell'invarianza dell'inversione temporale, le travi avrebbero dovuto essere identiche, ma invece, i loro schemi di interferenza hanno rivelato insiemi specifici di differenze come previsto, dimostrando i dettagli dell'effetto sfuggente.

L'originale, La versione abeliana dell'effetto Aharonov-Bohm "è stata osservata con una serie di sforzi sperimentali, ma l'effetto non abeliano non è stato osservato fino ad ora, " dice Yang. La scoperta "ci permette di fare molte cose, " lui dice, aprendo la porta a un'ampia varietà di potenziali esperimenti, compresi i regimi fisici classici e quantistici, per esplorare le variazioni dell'effetto.

L'approccio sperimentale ideato da questo team "potrebbe ispirare la realizzazione di fasi topologiche esotiche in simulazioni quantistiche che utilizzano fotoni, polaritoni, gas quantistici, e qubit superconduttori, " dice Soljacic. Per la fotonica stessa, questo potrebbe essere utile in una varietà di applicazioni optoelettroniche, lui dice. Inoltre, i campi di gauge non abeliani che il gruppo è stato in grado di sintetizzare hanno prodotto una fase di bacche non abeliane, e "combinato con le interazioni, potrebbe potenzialmente un giorno fungere da piattaforma per il calcolo quantistico topologico tollerante ai guasti, " lui dice.

A questo punto, l'esperimento è principalmente di interesse per la ricerca di fisica fondamentale, con l'obiettivo di acquisire una migliore comprensione di alcuni fondamenti di base della moderna teoria fisica. Le molte possibili applicazioni pratiche "richiederanno ulteriori scoperte in futuro, "dice Soljacic.

Per una cosa, per il calcolo quantistico, l'esperimento dovrebbe essere scalato da un singolo dispositivo a probabilmente un intero reticolo di essi. E invece dei raggi di luce laser usati nel loro esperimento, richiederebbe di lavorare con una sorgente di singoli fotoni individuali. Ma anche nella sua forma attuale, il sistema potrebbe essere utilizzato per esplorare questioni di fisica topologica, che è un settore molto attivo di ricerca attuale, dice Soljacic.