Nella vita di tutti i giorni, la materia si comporta in modo prevedibile, modo previsto. Se lanci una palla, presumi che viaggerà in una certa direzione e avrà un rinculo prevedibile. Cosa c'è di più, le forze esercitate su un oggetto non avrebbero un impatto su un altro, oggetto indipendente.

Ma nella meccanica quantistica, la fisica del piccolo, le regole sono completamente diverse. In uno, Due, e sistemi a tre particelle, le azioni che avvengono in un punto possono influenzare fortemente gli atomi lontani. Gli scienziati non hanno ancora una piena comprensione di questo ma, analizzando il comportamento di questi sistemi e di quelli più complessi, sperano di trovare spunti.

Ricercatori della Quantum Systems Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), insieme ai collaboratori dell'University College Dublin e della Durham University, simulato uno di questi sistemi, che ha rivelato stati quantistici - modi in cui le particelle si dispongono in sistemi isolati - che erano inaspettati. I loro risultati, pubblicato in Nuovo Giornale di Fisica , potrebbe avere applicazioni per le tecnologie quantistiche.

"Se lanci un sasso da una barca, la pietra va da una parte e la barca dall'altra, " ha spiegato il professor Thomas Busch, chi guida l'Unità. "Nella meccanica quantistica, possiamo avere correlazioni molto più forti a distanze molto maggiori. È come se indossi un calzino rosso e uno verde, poi qualcuno in Antartide, chi non hai mai incontrato, dovrebbe fare lo stesso. E il nostro lavoro ha trovato nuovi stati con queste fortissime correlazioni, che può essere controllato molto bene."

Sperimentando con due atomi

Quando gli scienziati ricercano sistemi macroscopici, tendono a guardare molte particelle, diciamo 1, 023. Perché ce ne sono così tanti, non possono seguire ogni atomo e devono fare supposizioni. Per evitare questo, i ricercatori in questo studio hanno utilizzato un'altra opzione.

"Abbiamo simulato un sistema con solo due atomi, " ha detto il primo autore Ayaka Usui, un dottorato di ricerca studente dell'Unità. "Questo ha fornito un elemento costitutivo del sistema più ampio, ma potevamo controllare tutto e vedere esattamente cosa stava succedendo. E, per controllare ulteriormente questo sistema, abbiamo considerato atomi super-freddi."

A temperatura ambiente, le particelle si muovono molto velocemente. Più è caldo, più velocemente si muovono. Utilizzando il raffreddamento laser, questi atomi possono essere rallentati e raffreddati fino a raggiungere una velocità quasi nulla e sono quindi super-freddi. Ciò ha reso molto più facile per Ayaka e colleghi descriverli nelle loro simulazioni.

In un sistema come questo, la cosa più semplice che le particelle possono fare è scontrarsi l'una con l'altra. Questo li costringe a muoversi e cambiare direzione, ma le particelle hanno anche qualcosa chiamato spin. Lo spin di una particella è rivolto verso l'alto o verso il basso e influenza ulteriormente il modo in cui si muove, un effetto chiamato accoppiamento spin-orbita. Quando i ricercatori hanno simulato un sistema con due atomi super freddi che erano accoppiati spin-orbita, questi nuovi stati, con le loro fortissime correlazioni, sono stati rivelati.

"Abbiamo i sistemi con due particelle in cui si ottengono questi stati e quelli con 1, 023 dove non lo fai, " ha detto il dottor Thomás Fogarty, borsista post-dottorato nell'Unità. "Da qualche parte lungo questa lunga catena di aggiunta di particelle, questi nuovi stati se ne vanno".

Ulteriori approfondimenti ingegneristici

"Accanto ai nuovi stati, abbiamo scoperto le formule che descrivono esattamente questo sistema, " disse Ayaka. "Quindi ora, possiamo ingegnerizzarlo."

Trovando queste formule, i ricercatori hanno il controllo sul sistema e ora intendono modificare i parametri per osservare le dinamiche del sistema.

"Spezzeremo il sistema, quindi ne abbiamo due, " ha detto Ayaka. "Possiamo usare le forti correlazioni per aiutarci a misurare il sistema. Se troviamo un atomo in uno dei sistemi, sappiamo che anche l'altro è in quello, senza misurarlo, perché sono strettamente correlati."

Sebbene questa ricerca si concentri solo su un piccolo aspetto di ciò che la meccanica quantistica può fare, ha numerose applicazioni, disse il professor Busch.

"Le tecnologie quantistiche hanno bisogno di queste correlazioni, " ha spiegato. "Questi nuovi stati hanno le più forti correlazioni non classiche che conosciamo, e possiamo ingegnerizzarli. Con questa ricerca, potremmo costruire computer più potenti. Potremmo creare dispositivi di misurazione che misurano minuscole differenze di gravità o impulsi elettrici nel cervello. Ci sono così tante applicazioni su cui lavorare".