Nell'ambito della meccanica quantistica, la generazione dell'entanglement quantistico rimane uno degli obiettivi più impegnativi. impigliamento, in poche parole, è quando lo stato quantistico di ogni particella o gruppo di particelle non è indipendente dagli stati quantistici di altre particelle o gruppi, anche su lunghe distanze. Le particelle entangled hanno sempre affascinato i fisici, poiché misurare una particella entangled può comportare un cambiamento in un'altra particella entangled, notoriamente liquidato come "azione spettrale a distanza" da Einstein. Da adesso, i fisici capiscono questo strano effetto e come sfruttarlo, ad esempio per aumentare la sensibilità delle misurazioni. Però, gli stati entangled sono molto fragili, in quanto possono essere facilmente interrotti dalla decoerenza. I ricercatori hanno già creato stati entangled negli atomi, fotoni, elettroni e ioni, ma solo di recente sono iniziati gli studi per esplorare l'entanglement nei gas delle molecole polari.

"Le molecole sono molto attraenti per la simulazione quantistica, informazioni quantistiche, e misurazioni di precisione, " ha spiegato la dott.ssa Ana Maria Rey, un professore aggiunto di fisica dell'Università del Colorado Boulder e JILA Fellow. Il motivo è che le molecole hanno un gran numero di gradi di libertà interni che possono essere una risorsa utile per il rilevamento quantistico e i test di fisica fondamentale. Un altro vantaggio dell'uso delle molecole negli esperimenti quantistici è che le molecole hanno anche interazioni dipolari a lungo raggio:a differenza degli atomi che devono scontrarsi l'uno con l'altro per interagire, le molecole possono interagire a distanza. "Le molecole offrono davvero grandi vantaggi rispetto agli atomi, ma allo stesso tempo, sono davvero difficili da raffreddare. Infatti, il raffreddamento delle molecole alla degenerazione quantistica (condizione raggiunta quando sono abbastanza fredde da far dominare gli effetti quantistici) è stato per molti anni uno degli obiettivi più ricercati. I progressi sono stati molto lenti, ma sta succedendo adesso".

Nel 2019 JILA Fellow e professore aggiunto per l'Università del Colorado, Masso, giugno sì, finalmente raggiunto questo importante traguardo. Il laboratorio di Ye è riuscito a raffreddare le molecole costituite da un atomo di rubidio e un atomo di potassio fino alla degenerazione quantistica e osservarne la natura quantistica. Più recentemente, ha compresso questo gas molecolare in una pila di matrici a forma di frittella. Il lavoro dei gruppi di Rey e Ye indaga sull'eccitante nuova fisica che emerge a causa delle interazioni dipolari in tali array a forma di pancake.

L'importanza della geometria del pancake

Le reazioni chimiche sono uno dei nemici più dannosi per le molecole di raffreddamento. Alcuni anni fa, il laboratorio Ye è stato in grado di evitare reazioni chimiche consentendo alle molecole di interagire tra loro tramite interazioni dipolari caricando le molecole in un reticolo 3D. Un reticolo 3D può essere immaginato come un perfetto cristallo di luce. In un reticolo 3D le molecole sono fissate ai singoli siti reticolari senza muoversi. Le molecole interagiscono quindi tramite interazioni dipolari nello stesso modo in cui interagiscono i magneti:quando sono affiancate si respingono e quando sono posizionate testa a coda si attraggono. In un reticolo 3D, le molecole sperimentano interazioni sia attrattive che repulsive e di conseguenza in media le interazioni tra le molecole si annullano a vicenda. Inoltre, nell'esperimento del reticolo 3D la frazione di riempimento molecolare era molto bassa, vale a dire che le molecole erano per lo più abbastanza distanti e interagivano solo molto debolmente.

In un recente esperimento, però, il gruppo Ye è stato in grado di aumentare la densità comprimendo un gas degenerato quantistico 3D in pochi pancake, ciascuno con una forma 2D piatta. All'interno di un pancake il gruppo Ye ha scoperto che è possibile sopprimere reazioni chimiche indesiderate e inoltre rendere più forti le interazioni di dipolo. Questo perché in una configurazione 2D tutte le molecole si respingono e le interazioni non si mediano. L'eccitante osservazione fatta dai ricercatori è che le forti interazioni dipolari nel pancake possono anche rendere il gas resistente agli effetti di sfasamento indesiderati e alle reazioni chimiche. Bilitewski ha dichiarato:Nello studio di questa forma, "concettualmente, e questo è il cuore di questo lavoro, le interazioni tra le molecole dipendono dagli stati quantistici in cui si trovano, e quindi su questo confinamento. Così, devi prima capire le interazioni in questa nuova geometria. Si scopre che questi in realtà hanno proprietà molto benefiche per generare le dinamiche collettive che stiamo cercando." Ma la notizia ancora migliore è che le interazioni non solo proteggono lo stato costringendo i dipoli molecolari ad essere tutti allineati, ma anche creare naturalmente entanglement. Nelle parole di Bilitewski:"il vantaggio di questa sincronizzazione collettiva è che l'entanglement che generiamo diventa robusto per determinati effetti che di solito distruggerebbero lo è". Tali array di molecole entangled potrebbero avere applicazioni per misurazioni future di varie quantità, come i campi elettrici, con sensibilità accresciuta dall'entanglement.

Il lavoro svolto dal gruppo di Rey illustra l'importanza degli effetti geometrici nei gas dipolari e gli eccitanti fenomeni a molti corpi ancora da esplorare una volta che le molecole sono portate alla degenerazione quantistica. Nel teorizzare l'importanza di questa forma 2D, Rey ha dichiarato:"grazie allo straordinario lavoro svolto da Thomas Bilitewski, siamo stati in grado di modellare la loro dinamica quantistica e mostrare che dovrebbe essere possibile intrecciarli, ha calcolato tutti gli integrali necessari per scrivere un modello efficace, ha risolto le equazioni del moto e ha mostrato che tutto può essere fatto funzionare per generare entanglement attraverso processi flip-flop indotti da interazioni dipolari".

La produzione di gas molecolari ultrafreddi in geometrie controllabili suggerisce nuove scoperte e previsioni nel campo della meccanica quantistica. "Questa osservazione è stata una dimostrazione che le molecole possono esplorare il magnetismo quantistico, "Rey ha aggiunto, "In altre parole, le molecole possono comportarsi come magneti quantistici ed emulare il comportamento degli elettroni nei solidi, Per esempio. Nel nostro recente lavoro, abbiamo fatto un passo avanti in questa direzione." La proposta avanzata dai gruppi Rey e Ye è solo l'inizio di tutta la grande scienza ancora da studiare con array di molecole entanglement. Secondo Bilitewski:"questo è tutto davvero eccitante nel senso che stiamo esplorando un nuovo regime che è diventato disponibile solo ora in laboratorio".