Il mondo quantistico sfida sfacciatamente le intuizioni che abbiamo sviluppato vivendo tra cose relativamente grandi, come le auto, centesimi e granelli di polvere. Nel mondo quantistico, minuscole particelle possono mantenere una connessione speciale a qualsiasi distanza, passare attraverso le barriere e percorrere contemporaneamente più percorsi.

Un comportamento quantistico meno conosciuto è la localizzazione dinamica, un fenomeno in cui un oggetto quantistico rimane alla stessa temperatura nonostante una fornitura costante di energia, contrastando l'ipotesi che un oggetto freddo ruberà sempre calore a un oggetto più caldo.

Questa ipotesi è una delle pietre miliari della termodinamica:lo studio di come si muove il calore. Il fatto che la localizzazione dinamica sfidi questo principio significa che qualcosa di insolito sta accadendo nel mondo quantistico e che la localizzazione dinamica può essere un'eccellente sonda di dove finisce il dominio quantistico e inizia la fisica tradizionale. Comprendere come si mantengono i sistemi quantistici, o non riesce a mantenere, il comportamento quantistico è essenziale non solo per la nostra comprensione dell'universo, ma anche per lo sviluppo pratico delle tecnologie quantistiche.

"Ad un certo punto, la descrizione quantistica del mondo deve passare alla descrizione classica che vediamo, e si ritiene che il modo in cui ciò avvenga sia attraverso le interazioni, ", afferma il ricercatore postdottorato JQI Colin Rylands.

Fino ad ora, la localizzazione dinamica è stata osservata solo per singoli oggetti quantistici, che le ha impedito di contribuire ai tentativi di definire dove avviene il passaggio. Per approfondire questo problema, Ryland, insieme al JQI Fellow Victor Galitski e ad altri colleghi, ha studiato modelli matematici per vedere se la localizzazione dinamica può ancora verificarsi quando molte particelle quantistiche interagiscono. Per rivelare la fisica, hanno dovuto creare modelli per tenere conto delle varie temperature, forza di interazione e tempi di interazione. I risultati della squadra, pubblicato in Lettere di revisione fisica , suggeriscono che la localizzazione dinamica può verificarsi anche quando le interazioni forti fanno parte del quadro.

"Questo risultato è un esempio di dove una singola particella quantistica si comporta in modo completamente diverso da una particella classica, e poi anche con l'aggiunta di interazioni forti il ​​comportamento somiglia ancora a quello della particella quantistica piuttosto che a quello classico, "dice Ryland, chi è il primo autore dell'articolo.

Una giostra quantistica

Il risultato estende la localizzazione dinamica oltre le sue origini di singola particella, nel regime di molte particelle interagenti. Ma per visualizzare l'effetto, è ancora utile iniziare con una singola particella. Spesso, quella singola particella è discussa in termini di rotore, che puoi immaginare come una giostra del parco giochi (o qualsiasi altra cosa che giri in cerchio). L'energia di un rotore (e la sua temperatura) è direttamente correlata alla velocità di rotazione. E un rotore con una fornitura costante di energia, uno a cui viene dato un "calcio" regolare, è un modo conveniente per visualizzare le differenze nel flusso di energia nella fisica quantistica e classica.

Per esempio, immagina Ercole che striscia instancabilmente su una giostra. La maggior parte dei suoi colpi lo accelererà, ma a volte un colpo atterrerà male e lo rallenterà. In queste condizioni (immaginarie), una normale giostra girerebbe sempre più veloce, accumulando sempre più energia fino a quando le vibrazioni alla fine scuotono l'intera cosa. Questo rappresenta come un normale rotore, in teoria, può riscaldarsi all'infinito senza raggiungere un limite di energia.

Nel mondo quantistico, le cose vanno diversamente. Per una giostra quantistica, ogni passaggio non aumenta o diminuisce semplicemente la velocità. Anziché, ogni colpo produce una sovrapposizione quantistica su diverse velocità, che rappresenta la possibilità di trovare il rotore che gira a velocità diverse. È solo quando fai una misurazione che una velocità particolare emerge dalla sovrapposizione quantistica causata dai calci precedenti.

Ricerca precedente, sia teorici che sperimentali, ha dimostrato che all'inizio un rotore quantistico non si comporta in modo molto diverso da un rotore normale a causa di questa distinzione:in media una giostra quantistica avrà anche più energia dopo aver sperimentato più calci. Ma una volta che un rotore quantico è stato preso a calci abbastanza, la sua velocità tende a stabilizzarsi. Dopo un certo punto, lo sforzo persistente del nostro Ercole quantistico non riesce ad aumentare (in media) l'energia della giostra quantistica.

Questo comportamento è concettualmente simile a un altro fenomeno quantistico che sfida la termodinamica chiamato localizzazione di Anderson. Filippo Anderson, uno dei fondatori della fisica della materia condensata, ha vinto un Premio Nobel per la scoperta del fenomeno. Lui e i suoi colleghi hanno spiegato come una particella quantistica, come un elettrone, potrebbe rimanere intrappolato nonostante molte apparenti opportunità di movimento. Hanno spiegato che le imperfezioni nella disposizione degli atomi in un solido possono portare a un'interferenza quantistica tra i percorsi disponibili per una particella quantistica, cambiando la probabilità che prenda ogni strada. Nella localizzazione di Anderson, la possibilità di trovarsi su qualsiasi sentiero diventa quasi zero, lasciando la particella intrappolata sul posto.

La localizzazione dinamica assomiglia molto alla localizzazione di Anderson, ma invece di rimanere intrappolati in una posizione particolare, l'energia di una particella si blocca. Come oggetto quantistico, l'energia e quindi la velocità di un rotore sono limitate a un insieme di valori quantizzati. Questi valori formano una griglia o un reticolo astratto simile alle posizioni degli atomi in un solido e possono produrre un'interferenza tra gli stati energetici simile all'interferenza tra i percorsi nello spazio fisico. Le probabilità delle diverse energie possibili, invece dei possibili percorsi di una particella, interferire, e l'energia e la velocità si bloccano vicino a un unico valore, nonostante i calci continui.

Esplorare un nuovo parco giochi quantistico

Mentre la localizzazione di Anderson ha fornito ai ricercatori una prospettiva per comprendere un singolo rotore quantico azionato, ha lasciato una certa ambiguità su ciò che accade a molti rotori interagenti che possono lanciare energia avanti e indietro. Un'aspettativa comune era che le interazioni extra avrebbero consentito il normale riscaldamento interrompendo l'equilibrio quantistico che limita l'aumento di energia.

Galitski e colleghi hanno identificato un sistema unidimensionale in cui pensavano che l'aspettativa potesse non essere vera. Hanno scelto un gas Bose unidimensionale interagente come loro parco giochi. In un gas Bose, le particelle che sfrecciano avanti e indietro lungo una linea svolgono la parte dei rotori che ruotano in posizione. Gli atomi di gas seguono gli stessi principi di base dei rotori a pedale, ma sono più pratici con cui lavorare in laboratorio. Nei laboratori, i laser possono essere utilizzati per contenere il gas e anche per raffreddare gli atomi nel gas fino a una bassa temperatura, che è essenziale per garantire un comportamento quantistico forte.

Una volta che la squadra ha selezionato questo parco giochi, hanno esplorato modelli matematici dei molti atomi di gas interagenti. Esplorare il gas a una varietà di temperature, i punti di forza dell'interazione e il numero di tiri hanno richiesto alla squadra di passare da diverse tecniche matematiche per ottenere un quadro completo. Alla fine i loro risultati si sono combinati per suggerire che quando un gas con interazioni forti inizia vicino alla temperatura zero può sperimentare una localizzazione dinamica. Il team ha chiamato questo fenomeno "localizzazione dinamica a molti corpi".

"Questi risultati hanno importanti implicazioni e dimostrano fondamentalmente la nostra comprensione incompleta di questi sistemi, "dice Robert Konik, un coautore dell'articolo e fisico al Brookhaven National Lab. "Contengono anche il seme di possibili applicazioni perché i sistemi che non accettano energia dovrebbero essere meno sensibili agli effetti di decoerenza quantistica e quindi potrebbero essere utili per realizzare computer quantistici".

Supporto Sperimentale

Certo, una spiegazione teorica è solo metà del puzzle; la conferma sperimentale è essenziale per sapere se una teoria ha solide basi. Fortunatamente, un esperimento sulla costa opposta degli Stati Uniti ha perseguito lo stesso argomento. Le conversazioni con Galitski hanno ispirato David Weld, professore associato di fisica all'Università della California, Santa Barbara, utilizzare l'esperienza sperimentale del suo team per sondare la localizzazione dinamica a molti corpi.

"Di solito non è facile convincere uno sperimentatore a fare un esperimento basato sulla teoria, " dice Galitski. "Questo caso è stato un po' fortuito, che David aveva già quasi tutto pronto per partire."

Il team di Weld sta utilizzando un gas quantistico di atomi di litio che è confinato dai laser per creare un esperimento simile al modello teorico sviluppato dal team di Galitski. (La differenza principale è che nell'esperimento gli atomi si muovono in tre dimensioni anziché in una sola.)

Nell'esperimento, Weld e il suo team prendono a calci gli atomi centinaia di volte usando impulsi laser e osservano ripetutamente il loro destino. Per diverse esecuzioni dell'esperimento hanno sintonizzato la forza di interazione degli atomi su valori diversi.

"È bello perché possiamo passare a un regime di non interazione abbastanza perfettamente, ed è qualcosa di cui è abbastanza facile calcolare il comportamento, " dice Weld. "E poi possiamo aumentare continuamente l'interazione e passare a un regime che è più simile a quello di cui Victor ei suoi colleghi stanno parlando in questo ultimo documento. E osserviamo la localizzazione, anche in presenza delle interazioni più forti che possiamo aggiungere al sistema. Per me è stata una sorpresa".

I loro risultati preliminari confermano la previsione che la localizzazione dinamica a molti corpi può verificarsi anche quando le interazioni forti fanno parte del quadro. Questo apre nuove opportunità ai ricercatori per cercare di definire il confine tra il mondo quantistico e quello classico.

"È bello poter mostrare qualcosa che le persone non si aspettavano e anche che fosse sperimentalmente rilevante, "dice Ryland.