Nel punto in cui il panorama energetico si divide, la catena ad alta simmetria decade in uno stato di simmetria inferiore quando viene superato il punto critico. In questo caso, una catena diritta decade in una configurazione a zig-zag quando l'anisotropia \lambda(t) supera un valore critico \lambda_{c}. Dove due ioni consecutivi cadono sullo stesso lato, uno stato di maggiore energia a livello locale, osserviamo un difetto. Credito:Fernando Gómez-Ruiz - Centro Internazionale di Fisica di Donostia
Uno stage estivo a Bilbao, Spagna, ha portato a un articolo sulla rivista Lettere di revisione fisica per Jack Mayo, uno studente di Master presso l'Università di Groningen, Paesi Bassi. Ha contribuito a creare un modello universale in grado di prevedere la distribuzione numerica dei difetti topologici nei sistemi di non equilibrio. I risultati possono essere applicati all'informatica quantistica e agli studi sull'origine della struttura nell'Universo primordiale.
maggio, studente del Top Master Program in Nanoscience presso lo Zernike Institute for Advanced Materials dell'Università di Groningen, ha trascorso le vacanze estive del 2019 sulla costa basca immerso nella fisica teorica. Il progetto a cui ha partecipato si è svolto nel gruppo di ricerca guidato dal Professor Adolfo del Campo presso il Centro Internazionale di Fisica di Donostia (DIPC), e mirava a risolvere un problema nell'informatica quantistica, ma ha implicazioni molto più ampie, dai magneti su scala nanometrica al cosmo. In tutti questi sistemi, l'inizio dell'ordine (ad esempio, ordine indotto dal raffreddamento) è quasi sempre accompagnato dallo sviluppo di difetti. "Prendi un sistema in cui le particelle hanno un momento magnetico che può capovolgersi tra su e giù, " spiega Mayo. "Se aumenti la loro interazione attraente, inizieranno ad allinearsi tra loro".
Cristalli di ghiaccio
Questo allineamento inizierà in determinati punti non correlati in un mezzo e poi crescerà, come cristalli di ghiaccio nell'acqua. L'allineamento di ciascun dominio (in alto o in basso nell'esempio dei momenti magnetici) è una questione di casualità. "Gli allineamenti locali cresceranno verso l'esterno e ad un certo punto, i domini cominceranno a incontrarsi e interagire, " dice Mayo. Ad esempio, se un dominio up incontra un dominio down, il risultato sarà un muro di dominio alla loro interfaccia, un difetto che rompe la simmetria nella struttura ordinata, lasciandosi dietro un artefatto del materiale nella sua fase di maggiore simmetria.
Questa ricottura di un mezzo è descritta dal meccanismo di Kibble-Zurek, originariamente progettato per spiegare come una transizione di fase abbia prodotto strutture ordinate nell'Universo primordiale. Successivamente è stato scoperto che potrebbe essere utilizzato per descrivere la transizione dell'elio liquido da una fase fluida a una superfluida. "Il meccanismo è universale ed è utilizzato anche nell'informatica quantistica basata sulla ricottura quantistica, " spiega Mayo. Questa tecnologia è già sul mercato ed è in grado di risolvere enigmi complessi come il problema del commesso viaggiatore. Tuttavia, un problema con questo tipo di lavoro è che i difetti che si verificano durante il processo di ricottura distorcono i risultati.
Transizioni di fase
Il numero di difetti che si manifestano nella ricottura quantistica dipende dal tempo impiegato per superare la transizione di fase. "Se hai milioni di anni per cambiare lentamente le interazioni tra le unità, non ottieni difetti, ma non è molto pratico, " Rimarca Mayo. Il trucco sta nel progettare programmi a tempo finito - e quindi più pratici - per ottenere un numero accettabile di difetti con alta probabilità. Il progetto di ricerca a cui ha partecipato era finalizzato alla creazione di un modello in grado di stimare il numero di difetti e guidare la progettazione ottimale di questi sistemi.
Modello statistico
Per fare questo, i fisici hanno utilizzato strumenti teorici per descrivere le transizioni di fase e simulazioni numeriche per stimare la distribuzione dei difetti durante il raffreddamento. Poiché ogni dominio può avere uno di due valori (su o giù nell'esempio dei momenti magnetici), potrebbero stimare le possibilità che due domini opposti si incontrino e creino un difetto. Ciò ha portato a un modello statistico basato sulla distribuzione binomiale, che potrebbe essere utilizzato per prevedere come un sistema dovrebbe essere raffreddato per creare il minor numero di difetti. Il modello è stato verificato rispetto a simulazioni numeriche indipendenti e sembrava funzionare bene. Questo nuovo modello è stato descritto in un documento pubblicato il 17 giugno in Lettere di revisione fisica ed è stato accompagnato da un "Punto di vista" pubblicato su Fisica, un commento sui risultati del fisico indipendente Professor Smitha Vishveshwara dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
