Molte delle più grandi domande in fisica possono essere risolte con l'aiuto delle teorie quantistiche dei campi:sono necessarie per descrivere la dinamica di molte particelle interagenti, e quindi sono importanti tanto nella fisica dello stato solido quanto nella cosmologia. Spesso, però, è estremamente complicato sviluppare un modello teorico del campo quantistico per un problema specifico, specialmente se il sistema in questione è costituito da molte particelle interagenti.

Ora un team della TU Wien e dell'Università di Heidelberg ha sviluppato metodi con cui questi modelli possono essere ottenuti direttamente da misurazioni sperimentali. Invece di confrontare i risultati sperimentali con le previsioni del modello teorico, è, in un certo senso, possibile misurare la teoria stessa. Questo dovrebbe ora gettare nuova luce sul complicato campo della fisica quantistica a molti corpi.

Simulatori quantistici

Negli ultimi anni, ha acquisito importanza un nuovo metodo per studiare i sistemi fisici quantistici, i cosiddetti "simulatori quantistici". "Semplicemente non abbiamo una descrizione soddisfacente di alcuni sistemi quantistici, ad esempio i superconduttori ad alta temperatura. Altri sistemi non possono essere osservati direttamente, come l'universo primordiale poco dopo il Big Bang. Supponiamo di voler ancora imparare qualcosa su tali sistemi quantistici, quindi scegliamo semplicemente un altro sistema che può essere facilmente controllato in laboratorio e lo adattiamo in modo che si comporti in modo simile al sistema a cui siamo effettivamente interessati. Ad esempio, possiamo usare esperimenti su atomi ultrafreddi per conoscere sistemi che altrimenti non saremmo in grado di studiare affatto, " spiega Jörg Schmiedmayer del Vienna Center of Quantum Science and Technology (VCQ) presso TU Wien. Ciò è possibile perché ci sono somiglianze fondamentali tra le diverse descrizioni fisiche quantistiche di diversi sistemi.

Ma non importa quale sistema quantistico viene studiato, gli scienziati incontrano sempre un problema fondamentale:"Se sono coinvolte troppe particelle, le formule della teoria quantistica diventano rapidamente così complicate da non poter essere risolte, nemmeno con i migliori supercomputer del mondo, " spiega Sebastian Erne. "È un peccato, perché i sistemi costituiti da molte particelle sono particolarmente interessanti. Nella vita di tutti i giorni, accade sempre che molte particelle svolgano un ruolo contemporaneamente."

Sbarazzarsi dei dettagli

Generalmente, non è possibile risolvere l'esatta teoria quantistica per un sistema a molte particelle, in cui si considera ogni singola particella. Bisogna trovare una descrizione quantistica semplificata che contenga tutte le proprietà essenziali, ma non si basa più sui dettagli sulle singole particelle. "Questo è simile a descrivere un gas, " spiega Jörg Schmiedmayer. "Non siamo interessati a ogni singolo atomo, ma in variabili più generali come la pressione e la temperatura."

Ma come si arriva a tali teorie per i sistemi a molti corpi? Derivarli puramente matematicamente dalle leggi della natura che si applicano alle singole particelle è estremamente complicato. Ma come ora si scopre, questo non è necessario. "Abbiamo trovato un metodo per leggere la descrizione teorica del campo quantistico direttamente dall'esperimento, " dice Schmiedmayer. "In un certo senso, la natura fornisce le formule, con cui deve essere descritto, tutto da solo».

Sappiamo che ogni teoria quantistica deve obbedire a determinate regole formali:parliamo per esempio di correlazioni, propagatori, vertici, Diagrammi di Feynman:gli elementi costitutivi di base di ogni modello fisico quantistico. Il team di ricerca della TU Wien e dell'Università di Heidelberg ha trovato un modo per rendere accessibili sperimentalmente questi singoli elementi costitutivi di base. Le misurazioni sperimentali risultano in una teoria quantistica ottenuta empiricamente per un sistema a molti corpi, senza dover lavorare con carta e matita.

"Per anni, abbiamo sospettato che questo sia teoricamente possibile, ma non tutti ci credevano che funzionasse davvero, ", afferma Jörg Schmiedmayer. "Ora abbiamo dimostrato che avevamo ragione, esaminando un caso speciale in cui la teoria può anche essere trovata e (in certi limiti) risolta matematicamente. I risultati delle nostre misurazioni forniscono esattamente gli stessi elementi di base della teoria".

Nubi atomiche ultrafredde

L'esperimento è stato fatto con nuvole di migliaia di atomi ultrafreddi che sono intrappolati in una trappola magnetica su un chip atomico. "Dai modelli di onde quantistiche di queste nuvole atomiche, possiamo determinare le funzioni di correlazione da cui possono essere derivati ​​i mattoni di base della teoria appropriata, " spiega Schmiedmayer.

I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Revisione fisica X . Il team spera che ciò semplifichi notevolmente lo studio dei sistemi quantistici a molte particelle. Forse farà luce su alcune delle grandi domande della fisica.