Nuovi esperimenti che utilizzano gas unidimensionali intrappolati - atomi raffreddati alle temperature più fredde dell'universo e confinati in modo che possano muoversi solo in linea - si adattano alle previsioni della teoria dell'"idrodinamica generalizzata" recentemente sviluppata. La meccanica quantistica è necessaria per descrivere le nuove proprietà di questi gas. Raggiungere una migliore comprensione di come tali sistemi con molte particelle evolvono nel tempo è una frontiera della fisica quantistica. Il risultato potrebbe semplificare notevolmente lo studio dei sistemi quantistici che sono stati eccitati fuori equilibrio. Oltre alla sua fondamentale importanza, potrebbe infine informare lo sviluppo di tecnologie quantistiche, che includono computer quantistici e simulatori, comunicazione quantistica, e sensori quantistici. Un articolo che descrive gli esperimenti di un team guidato dai fisici della Penn State appare il 2 settembre, 2021 sul giornale Scienza .

Anche all'interno della fisica classica, dove le ulteriori complessità della meccanica quantistica possono essere ignorate, è impossibile simulare il moto di tutti gli atomi in un fluido in movimento. Per approssimare questi sistemi di particelle, i fisici usano descrizioni idrodinamiche.

"L'idea alla base dell'idrodinamica è dimenticare gli atomi e considerare il fluido come un continuum, " ha detto Marcos Rigol, professore di fisica alla Penn State e uno dei leader del gruppo di ricerca. "Per simulare il fluido, si finisce per scrivere equazioni accoppiate che risultano dall'imposizione di alcuni vincoli, come la conservazione della massa e dell'energia. Questi sono gli stessi tipi di equazioni risolte, Per esempio, per simulare il flusso d'aria quando si aprono le finestre per migliorare la ventilazione in una stanza."

La materia diventa più complicata se è coinvolta la meccanica quantistica, come nel caso di voler simulare sistemi quantistici a molti corpi fuori equilibrio.

"Sistemi quantistici a molti corpi, composti da molte particelle interagenti, come gli atomi, sono al centro dell'atomo, nucleare, e fisica delle particelle, " ha detto David Weiss, Illustre Professore di Fisica alla Penn State e uno dei leader del gruppo di ricerca. "Una volta, tranne nei limiti estremi, non si poteva fare un calcolo per descrivere sistemi quantistici a molti corpi fuori equilibrio. Di recente le cose sono cambiate".

Il cambiamento è stato motivato dallo sviluppo di un quadro teorico noto come idrodinamica generalizzata.

"Il problema con quei sistemi quantistici a molti corpi in una dimensione è che hanno così tanti vincoli sul loro movimento che le normali descrizioni idrodinamiche non possono essere utilizzate, " ha detto Rigol. "L'idrodinamica generalizzata è stata sviluppata per tenere traccia di tutti questi vincoli".

Fino ad ora, l'idrodinamica generalizzata era stata precedentemente testata sperimentalmente solo in condizioni in cui la forza delle interazioni tra le particelle era debole.

"Abbiamo deciso di testare ulteriormente la teoria, osservando la dinamica dei gas unidimensionali con un'ampia gamma di forze di interazione, " ha detto Weiss. "Gli esperimenti sono estremamente ben controllati, quindi i risultati possono essere precisamente paragonati alle previsioni di questa teoria.

Il team di ricerca utilizza gas unidimensionali di atomi interagenti che sono inizialmente confinati in una trappola molto superficiale in equilibrio. Quindi improvvisamente aumentano la profondità della trappola di 100 volte, che costringe le particelle a collassare al centro della trappola, causando il cambiamento delle loro proprietà collettive. Durante il crollo, il team misura con precisione le loro proprietà, che possono poi confrontare con le previsioni dell'idrodinamica generalizzata.

"Le nostre misurazioni corrispondevano alla previsione della teoria attraverso dozzine di oscillazioni della trappola, "ha detto Weiss. "Attualmente non ci sono altri modi per studiare sistemi quantistici fuori equilibrio per lunghi periodi di tempo con ragionevole accuratezza, soprattutto con molte particelle. L'idrodinamica generalizzata ci consente di farlo per alcuni sistemi come quello che abbiamo testato, ma quanto sia generalmente applicabile deve ancora essere determinato."