Come va la storia, il matematico e inventore greco Archimede si imbatté in un'invenzione durante un viaggio nell'antico Egitto che in seguito avrebbe portato il suo nome. Era una macchina costituita da una vite alloggiata all'interno di un tubo cavo che intrappolava e attingeva acqua a rotazione. Ora, i ricercatori guidati dal fisico della Stanford University Benjamin Lev hanno sviluppato una versione quantistica della vite di Archimede che, invece dell'acqua, trasporta fragili raccolte di atomi di gas verso stati energetici sempre più elevati senza collassare. La loro scoperta è dettagliata in un articolo pubblicato il 14 gennaio in Scienza .

"La mia aspettativa per il nostro sistema era che la stabilità del gas si sarebbe spostata solo di poco, " disse Lev, che è professore associato di fisica applicata e di fisica presso la School of Humanities and Sciences di Stanford. "Non mi aspettavo di vedere un drammatico, sua completa stabilizzazione. Questo andava oltre la mia concezione più sfrenata".

Lungo la strada, i ricercatori hanno anche osservato lo sviluppo di stati cicatriziali, traiettorie estremamente rare di particelle in un sistema quantistico altrimenti caotico in cui le particelle tornano ripetutamente sui loro passi come tracce che si sovrappongono nei boschi. Gli stati della cicatrice sono di particolare interesse perché possono offrire un rifugio protetto per le informazioni codificate in un sistema quantistico. L'esistenza di stati cicatriziali all'interno di un sistema quantistico con molte particelle interagenti, noto come sistema quantistico a molti corpi, è stata confermata solo di recente. L'esperimento di Stanford è il primo esempio dello stato cicatriziale in un gas quantistico a molti corpi e solo il secondo avvistamento del fenomeno nel mondo reale.

Super e stabile

Lev è specializzato in esperimenti che estendono la nostra comprensione di come le diverse parti di un sistema quantistico a molti corpi si assestano nella stessa temperatura o equilibrio termico. Questa è un'area di indagine entusiasmante perché resistere a questa cosiddetta "termalizzazione" è la chiave per creare sistemi quantistici stabili che potrebbero alimentare nuove tecnologie, come i computer quantistici.

In questo esperimento, il team ha esplorato cosa sarebbe successo se avessero modificato un sistema sperimentale a molti corpi molto insolito, chiamato un super gas Tonks-Girardeau. Questi sono gas quantistici unidimensionali altamente eccitati - atomi allo stato gassoso che sono confinati a una singola linea di movimento - che sono stati sintonizzati in modo tale che i loro atomi sviluppino forze attrattive estremamente forti l'uno sull'altro. La cosa super di loro è che, anche sotto forze estreme, in teoria non dovrebbero collassare in una massa simile a una palla (come fanno i normali gas attrattivi). Però, in pratica, crollano a causa di imperfezioni sperimentali. lev, chi ha un debole per l'elemento fortemente magnetico disprosio, si chiedeva cosa sarebbe successo se lui ei suoi studenti avessero creato un super gas Tonks-Girardeau con atomi di disprosio e alterato i loro orientamenti magnetici "proprio così". Forse resisterebbero al collasso un po' meglio dei gas non magnetici?

"Le interazioni magnetiche che siamo stati in grado di aggiungere erano molto deboli rispetto alle interazioni attrattive già presenti nel gas. Quindi, le nostre aspettative erano che non sarebbe cambiato molto. Pensavamo che sarebbe ancora crollato, solo non così prontamente." disse Lev, che è anche membro di Stanford Ginzton Lab e Q-FARM. "Oh, abbiamo sbagliato?"

La loro variazione di disprosio ha finito per produrre un super gas Tonks-Girardeau che è rimasto stabile, qualunque cosa accada. I ricercatori hanno capovolto il gas atomico tra le condizioni attrattive e repulsive, elevando o "avvitando" il sistema a stati energetici sempre più alti, ma gli atomi ancora non sono collassati.

Costruire dalle fondamenta

Sebbene non ci siano applicazioni pratiche immediate della loro scoperta, il laboratorio Lev e i loro colleghi stanno sviluppando la scienza necessaria per alimentare quella rivoluzione della tecnologia quantistica che molti prevedono stia arrivando. Per adesso, ha detto Lev, la fisica dei sistemi quantistici a molti corpi fuori equilibrio rimane costantemente sorprendente.

"Non c'è ancora un libro di testo sullo scaffale che puoi tirare fuori per dirti come costruire la tua fabbrica quantistica, " ha detto. "Se paragoniamo la scienza quantistica a dove eravamo quando abbiamo scoperto ciò di cui avevamo bisogno per costruire impianti chimici, dire, è come se stessimo facendo il lavoro della fine del XIX secolo proprio ora."

Questi ricercatori stanno solo iniziando a esaminare le molte domande che hanno sulla loro vite quantistica di Archimede, incluso come descrivere matematicamente questi stati di cicatrice e se il sistema si termalizza, cosa che alla fine deve fare, come lo fa. Più immediatamente, hanno in programma di misurare la quantità di moto degli atomi negli stati di cicatrice per iniziare a sviluppare una solida teoria sul perché il loro sistema si comporta in quel modo.

I risultati di questo esperimento sono stati così imprevisti che Lev afferma di non poter prevedere con certezza quale nuova conoscenza verrà dall'ispezione più approfondita della vite quantistica di Archimede. Ma quello, fa notare, è forse sperimentalismo al suo meglio.

"Questa è una delle poche volte nella mia vita in cui ho effettivamente lavorato su un esperimento che fosse veramente sperimentale e non una dimostrazione della teoria esistente. Non sapevo quale sarebbe stata la risposta in anticipo, " disse Lev. "Poi abbiamo trovato qualcosa di veramente nuovo e inaspettato e che mi fa dire, 'Yy sperimentalisti!'"