Erano lì, in tutta la loro strana gloria quantistica:atomi di litio ultrafreddi nella trappola ottica gestita dallo studente universitario della UC Santa Barbara Alec Cao e dai suoi colleghi del gruppo di fisica atomica di David Weld. Tenuto da laser in un regolare, formazione del reticolo e "guidato" da impulsi di energia, questi atomi stavano facendo cose folli.

"Era un po' strano, " Weld ha detto. "Gli atomi verrebbero pompati in una direzione. A volte venivano pompati in un'altra direzione. A volte si laceravano e creavano queste strutture che sembravano DNA".

Questi comportamenti nuovi e inaspettati erano i risultati di un esperimento condotto da Cao, Weld e colleghi per spingere i confini della nostra conoscenza del mondo quantistico. I risultati? Nuove direzioni nel campo dell'ingegneria quantistica dinamica, e un percorso allettante verso un collegamento tra fisica classica e quantistica.

La loro ricerca è pubblicata sulla rivista Ricerca sulla revisione fisica .

"Un sacco di cose divertenti accadono quando scuoti un sistema quantistico, " disse Saldare, il cui laboratorio crea "solidi artificiali" - reticoli a bassa dimensione di atomi leggeri e ultrafreddi - per simulare il comportamento delle particelle della meccanica quantistica in solidi veri più densi quando sottoposti a forze motrici. I recenti esperimenti sono stati gli ultimi di un ragionamento che risale al 1929, quando il fisico e premio Nobel Felix Bloch predisse per la prima volta che entro i confini di una struttura quantistica periodica, una particella quantistica sotto una forza costante oscillerà.

"In realtà sguazzano avanti e indietro, che è una conseguenza della natura ondulatoria della materia, " Weld ha detto. Mentre queste oscillazioni di Bloch nello spazio posizione erano state previste quasi un secolo fa, sono stati osservati direttamente solo in tempi relativamente recenti; infatti il ​​gruppo di Weld è stato il primo a vederli nel 2018, con un metodo che li rendeva spesso rapidi, sciabordi infinitesimali grandi e lenti, e facile da vedere.

Un decennio fa, altri esperimenti hanno aggiunto una dipendenza dal tempo al sistema oscillante di Bloch sottoponendolo a un'ulteriore, forza periodica, e trovò un'attività ancora più intensa. Sono state scoperte oscillazioni al di sopra delle oscillazioni, le oscillazioni Super Bloch.

Per questo studio, i ricercatori hanno portato il sistema un altro passo avanti, modificando lo spazio in cui questi atomi interagiscono.

"In realtà stiamo cambiando il reticolo, " disse Saldare, per mezzo di intensità laser variabili e forze magnetiche esterne che non solo hanno aggiunto una dipendenza dal tempo, ma hanno anche curvato il reticolo, creando un campo di forze disomogeneo. Il loro metodo di creare grandi, oscillazioni lente, Ha aggiunto, "ci ha dato l'opportunità di guardare cosa succede quando si dispone di un sistema oscillante Bloch in un ambiente disomogeneo."

Questo è quando le cose sono diventate strane. Gli atomi schizzarono avanti e indietro, a volte allargandosi, altre volte creando schemi in risposta agli impulsi di energia che spingono sul reticolo in vari modi.

"Potremmo seguire i loro progressi con i numeri se ci lavorassimo sodo, " Weld ha detto. "Ma è stato un po' difficile capire perché fanno una cosa e non l'altra".

Era un'intuizione di Cao, l'autore principale del giornale, che ha portato a un modo di decifrare lo strano comportamento.

"Quando abbiamo studiato le dinamiche per tutte le volte in una volta, abbiamo appena visto un pasticcio perché non c'era simmetria sottostante, rendendo la fisica difficile da interpretare, " disse Cao, che sta iniziando il suo quarto anno al College of Creative Studies della UCSB.

Per tracciare la simmetria, i ricercatori hanno semplificato questo comportamento apparentemente caotico eliminando una dimensione (in questo caso, tempo) utilizzando una tecnica matematica inizialmente sviluppata per osservare la classica dinamica non lineare chiamata sezione di Poincaré.

"Nel nostro esperimento, un intervallo di tempo è impostato da come modifichiamo periodicamente il reticolo nel tempo, " Ha detto Cao. "Quando abbiamo eliminato tutti i tempi intermedi e abbiamo esaminato il comportamento una volta ogni periodo, la struttura e la bellezza sono emerse nelle forme delle traiettorie perché stavamo rispettando adeguatamente la simmetria del sistema fisico." L'osservazione del sistema solo in periodi basati su questo intervallo di tempo ha prodotto qualcosa come una rappresentazione in stop-motion dei movimenti complicati ma ciclici di questi atomi .

"Ciò che Alec ha immaginato è che questi percorsi, queste orbite di Poincaré, ci dicono esattamente perché in alcuni regimi di guida gli atomi vengono pompati, mentre in altri regimi di guida gli atomi si diffondono e disgregano la funzione d'onda, " ha aggiunto Weld. Una direzione che i ricercatori potrebbero prendere da qui, Egli ha detto, è usare questa conoscenza per progettare sistemi quantistici per avere nuovi comportamenti attraverso la guida, con applicazioni in campi emergenti come il calcolo quantistico topologico.

"Ma un'altra direzione che possiamo prendere è vedere se possiamo studiare l'emergere del caos quantistico quando iniziamo a fare cose come aggiungere interazioni a un sistema guidato come questo, " ha detto Salda.

Non è un'impresa da poco. I fisici da decenni hanno cercato di trovare collegamenti tra fisica classica e quantistica, una matematica comune che potrebbe spiegare concetti in un campo che sembrano non avere analoghi nell'altro, come il caos classico, il linguaggio per il quale non esiste nella meccanica quantistica.

"Probabilmente hai sentito parlare dell'effetto farfalla:una farfalla che sbatte le ali nei Caraibi può causare un tifone da qualche parte nel mondo, " ha detto Weld. "Questa è in realtà una caratteristica dei sistemi caotici classici, che hanno una dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali. Questa caratteristica è in realtà molto difficile da riprodurre nei sistemi quantistici:è sconcertante trovare la stessa spiegazione nei sistemi quantistici. Quindi questo è forse un piccolo pezzo di quel corpo di ricerca".