I fisici dell'ETH di Zurigo hanno osservato una svolta sorprendente in un sistema quantistico causata dall'interazione tra dissipazione di energia e dinamica quantistica coerente. Per spiegarlo, trovarono un'analogia concreta con la meccanica.

"Nessuno scienziato pensa per formule, " Albert Einstein avrebbe detto una volta al suo collega Leopold Infeld. In effetti, soprattutto per i fisici, che si occupano di cose astratte come la fisica quantistica, spesso è immensamente utile lavorare con immagini concrete piuttosto che con simboli matematici. Un team di ricercatori guidati da Tilman Esslinger, professore all'Istituto per l'elettronica quantistica dell'ETH di Zurigo, sperimentato questo quando hanno scoperto di recente un nuovo effetto nel loro sistema di meccanica quantistica. Sebbene stessero studiando minuscoli atomi e particelle di luce nel loro esperimento, hanno potuto comprendere meglio le loro osservazioni attraverso un'immagine accattivante:un albero che gira all'interno di un cuscinetto. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Scienza .

Un sistema quantistico complesso

"Non stavamo proprio cercando quell'effetto, " dice Esslinger. "Solo con il senno di poi abbiamo capito cosa significano i nostri dati." Lui e i suoi collaboratori avevano affrontato un argomento molto complesso:un sistema quantistico in cui le singole particelle interagiscono fortemente tra loro e che è contemporaneamente guidato dal esterno e anche dissipativo. "Dissipativo" significa che gli stati quantistici delle particelle non solo evolvono coerentemente nel tempo, cioè, tale che i loro stati di sovrapposizione rimangono intatti. Piuttosto, una connessione controllata con il mondo esterno fa scomparire a poco a poco gli stati di sovrapposizione. Se la dissipazione è molto forte, scompaiono molto velocemente, e di conseguenza le particelle si comportano quasi come nella fisica classica, che conosciamo per esperienza quotidiana. Senza alcuna dissipazione, d'altra parte, il modo in cui il sistema di particelle si evolve nel tempo è dettato esclusivamente dalla meccanica quantistica, un caso ideale utilizzato dai fisici per costruire computer quantistici, ad esempio.

modelli atomici

"Questi due estremi possono essere calcolati e compresi abbastanza bene, " spiega Tobias Donner, che lavora come Senior Scientist nel laboratorio di Esslinger. "Al contrario, è molto più difficile avere a che fare con i sistemi nel mezzo, dove l'evoluzione coerente e la dissipazione sono ugualmente importanti." Per costruire un tale sistema quantistico in laboratorio, i fisici hanno raffreddato gli atomi fino a temperature prossime allo zero assoluto di circa -273 gradi Celsius e li hanno esposti a un raggio laser focalizzato che intrappola e spinge gli atomi all'interno di una sorta di reticolo fatto di luce. Ogni atomo ha anche una "rotazione" che può puntare verso l'alto o verso il basso (proprio come l'ago di una bussola che punta a nord oa sud). Oltre a ciò, gli atomi freddi sono circondati all'interno di una cavità da due specchi che riflettono avanti e indietro la luce diffusa dagli atomi.

L'interazione tra gli atomi, il raggio laser e la luce nella cavità ora fanno sì che gli atomi si dispongano spontaneamente in uno schema a scacchiera. Questo può avvenire in due modi diversi. In uno di essi, ci sono atomi solo sui quadrati "bianchi", com'era, mentre i quadrati neri rimangono vuoti (vedi figura). Nell'altro caso ci sono anche due tipi di quadrati, rosso e verde, ma ora i quadrati rossi sono occupati solo da atomi i cui spin puntano verso l'alto, mentre sui quadrati verdi ci sono solo atomi i cui spin puntano verso il basso.

Colpo di scena sorprendente

Quale delle due alternative preferiscono gli atomi dipende dalla direzione di oscillazione del raggio laser che li irradia, rigorosamente secondo le regole della meccanica quantistica, almeno, questo è, se gli atomi non sono esposti ad alcuna dissipazione. Quando i fisici hanno condotto l'esperimento in un regime in cui l'influenza della dissipazione (causata da una perdita di fotoni dalla cavità) era abbastanza grande, è successo qualcosa di insolito. "I nostri dati non ci mostravano più uno dei due modelli, ma piuttosto sembrava che gli atomi girassero attraverso gli schemi ancora e ancora, con un particolare senso di rotazione, " Esslinger descrive i risultati inaspettati. "È stata una scoperta entusiasmante, ma non avevamo assolutamente idea del perché stesse accadendo".

Una forza insolita

Semplificando le equazioni della meccanica quantistica che descrivono il loro esperimento, i fisici furono finalmente in grado di scoprire un'analogia con un sistema meccanico. Infatti, le formule avevano una sorprendente somiglianza con quelle che descrivono un albero che gira all'interno di un cuscinetto. Tra l'albero e il cuscinetto, c'è un lubrificante viscoso che dovrebbe garantire una rotazione uniforme. Però, se l'albero si allontana leggermente dal centro del cuscinetto, si crea un tipo di forza di attrito piuttosto insolito che dipende dalla posizione dell'albero. La forza si verifica perché in una direzione si riduce la distanza tra l'albero rotante e il cuscinetto fisso, e quindi diverse forze di attrito agiscono sull'albero e sul cuscinetto. La forza dipendente dalla posizione risultante è perpendicolare alla direzione in cui si è mosso l'albero. Come conseguenza, il centro dell'albero inizia a girare a spirale attorno al centro del cuscinetto.

Ora che i fisici sono in grado di descrivere l'inaspettato effetto quantistico con un'immagine concreta, stanno già pensando al prossimo passo:sfruttarlo per guidare e controllare deliberatamente i sistemi quantistici. "Normalmente, la dissipazione altera o indebolisce gli effetti quantistici esistenti, ma qui abbiamo un effetto che in realtà deve la sua esistenza alla dissipazione, " dice Esslinger. Se effetti simili potrebbero essere più diffusi nei sistemi quantistici, e come potrebbero essere utilizzati nelle tecnologie quantistiche attualmente in fase di sviluppo, sono quindi domande che ora sono nella mente dei ricercatori.