Negli oggetti di uso quotidiano, non c'è sinistra senza destra o davanti senza dietro. Altrettanto inseparabili sembrano essere la carica elettrica dell'elettrone e il suo "spin". Ma in un mondo quantistico strettamente unidimensionale, entrambe le proprietà quantistiche sono separabili l'una dall'altra. Questa previsione di 50 anni è stata ora confermata da un esperimento condotto da un team del Centro di Monaco per la scienza e la tecnologia quantistica (MCQST).

I fisici dell'Istituto Max Planck per l'ottica quantistica di Garching stanno svolgendo un ruolo di primo piano. Per la loro riuscita dimostrazione, che ora è pubblicato sulla rivista Scienza ("Osservazione risolta nel tempo del deconfinamento di spin-carica nelle catene di Hubbard Fermionic"), hanno usato un cosiddetto simulatore quantistico. Un computer quantistico così specializzato può stimare con precisione le proprietà quantistiche di un materiale, che è oggi incredibilmente impegnativo per i supercomputer convenzionali.

"Come scienziato, quando pensi a un elettrone, pensi a un'unità legata con una certa carica elettrica e un certo spin, " spiega Jayadev Vijayan, dottorato di ricerca studente nel gruppo di Christian Gross e Immanuel Bloch, direttore del Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching. Lo spin può essere immaginato come una sorta di giroscopio meccanico quantistico. Ma è molto di più, perché il suo spin speciale trasforma un elettrone in un fermione con proprietà quantistiche che forniscono anche le basi dell'elettronica dei semiconduttori di oggi.

Perciò, la carica e lo spin di un elettrone sono considerati inseparabilmente connessi. Ma più di 50 anni fa, gli scienziati sono giunti a una sorprendente realizzazione che in un mondo strettamente unidimensionale, questa fidata unione di carica e rotazione potrebbe essere separabile. Se tiri una collana di perle aperta dritta come una freccia, hai praticamente creato un mondo così unidimensionale.

Nell'esperimento, le perle sono atomi magnetici. In ciascuno di questi atomi c'è un elettrone speciale il cui spin non schermato trasforma l'atomo in un piccolo ago magnetico. Poiché i poli opposti degli aghi magnetici si attraggono, perline magnetiche vicine dell'ago sulla corda si allineano in direzioni opposte:un polo nord punta in una posizione verso l'alto, il prossimo vicino polo nord verso il basso, poi il prossimo ma di nuovo uno verso l'alto, quindi è una catena di giri alternati che puntano su e giù (vedi figura).

Questo è il punto di partenza dell'esperimento. La previsione ora dice:se una tale catena di perle quantistiche unidimensionale viene disturbata, quindi la carica e lo spin di un elettrone possono separarsi l'uno dall'altro in una perla atomica. Quindi entrambi dovrebbero correre lungo la catena come due quasiparticelle separate. Queste quasiparticelle possono essere immaginate come un secchio d'acqua e un secchio di sabbia, che vengono trasmessi a velocità diverse in una catena antincendio.

Il team di Monaco ha anche affrontato una sfida sperimentale. La nanotecnologia di oggi può produrre "catene di perle" atomiche unidimensionali.

"Ma gli elettroni sono separati da una distanza dell'ordine di un decimo di nanometro, " spiega il dottorando. Circa un decimo di miliardesimo di metro è tipico per la distanza tra gli atomi nei materiali. Questo è troppo piccolo per essere osservato al microscopio, rendendo impossibile studiare il loro comportamento.

Il simulatore quantistico

È qui che entra in gioco il simulatore quantistico di Monaco. In linea di principio, funziona come sostituire il filo della collana di perle con un elastico. E l'elastico viene separato in modo che la distanza tra le perle atomiche sia di circa 10, 000 volte maggiore. Questa gamma di micrometri può ora essere risolta da un microscopio ottico. I minuscoli atomi diventano visibili quando la luce laser li fa illuminare.

Nell'esperimento, la "fascia di gomma" è costituita da una griglia di fasci di luce laser che si intersecano. Ogni intersezione di luce agisce come una piccola trappola che cattura un atomo, in questo caso un atomo di litio. Per farli comportare come elettroni in materiali reali, devono prima essere raffreddati a temperature bassissime nel vuoto.

Gli atomi di litio sono fermionici, cioè., piccoli magneti trasportati da uno spin elettronico non schermato. Ora, i fisici hanno dovuto inventare un trucco per rendere visibile questa rotazione nel loro simulatore quantistico. Per fare questo, allentano per breve tempo i ceppi della luce in presenza di un campo magnetico appositamente progettato. Il risultato:gli atomi si spostano leggermente verso l'alto o verso il basso dalla catena di perle, a seconda della direzione della loro rotazione.

Il sogno di Feynman

Non appena la catena di atomi è preparata, i fisici calciano un atomo fuori dal centro della catena con la luce laser. Questo disturbo, chiamato "spegnere, " crea due quasiparticelle nella catena. La prima quasiparticella è il buco lasciato dall'atomo espulso. Questo "olone" contiene la proprietà quantistica della carica dell'elettrone. La seconda quasiparticella, chiamato lo spinone, consiste dei due spin paralleli adiacenti lasciati dal gap holon. Rispetto allo sfondo di rotazioni alternate che puntano su e giù, questo spinone porta una rotazione in eccesso dall'estinzione.

Con il loro simulatore quantistico, il team è stato in grado di seguire esattamente come le due perturbazioni viaggiano lungo la catena atomica. Infatti, si è scoperto che si muovono a velocità diverse e non sono legati insieme. Carica e centrifuga sono quindi completamente indipendenti l'una dall'altra e perfettamente separate, proprio come i secchi dell'acqua e della sabbia nella catena antincendio.

Da una parte, questo risultato è entusiasmante dal punto di vista della ricerca di base in fisica quantistica. La separabilità di carica e spin potrebbe un giorno trovare anche affascinanti applicazioni nella tecnologia dell'informazione quantistica. Soprattutto, però, l'esperimento di Garching dimostra con successo che i simulatori quantistici si stanno trasformando in una tecnologia da prendere sul serio.

Negli anni '80, il famoso premio Nobel Richard Feynman sognò che sarebbe stato possibile comprendere il comportamento dei sistemi quantistici dei materiali, a cui è difficile accedere sperimentalmente, utilizzando analoghi sistemi quantistici perfettamente accessibili e controllabili. Persino i supercomputer convenzionali non riescono a calcolare esattamente alcuni di questi sistemi quantistici. Ma questa elegante possibilità è offerta dagli atomi ultrafreddi nelle griglie di luce.

"Nel futuro, ciò potrebbe consentire la progettazione mirata di nuovi materiali che, Per esempio, diventare superconduttore a temperatura ambiente, " afferma Jayadev Vijayan. Il sogno di Feynman di un simulatore quantistico sta diventando realtà.