Una figura che illustra un pezzo del reticolo pirocloro di tetraedri che condividono gli angoli con un diagramma di Feynman incorporato che rappresenta l'interazione di uno spinone e un anti-spinone mediante lo scambio di un fotone. La forza di tale processo di dispersione è proporzionale alla costante alfa della struttura fine nel materiale. Credito:Pace et al.
L'elettrodinamica quantistica (QED) è la teoria quantistica fondamentale che governa il comportamento delle particelle cariche e della luce nel vuoto. La forza delle interazioni in QED è quantificata dalla costante di struttura fine α, che nel nostro universo è sia immutabile che eterno (α ~ 1/137). La piccolezza della costante di struttura fine ha conseguenze di vasta portata nel mondo fisico:determina il numero di elementi chimici stabili, consente lunghe distanze, comunicazione basata sulla luce, eccetera.
Una delle grandi intuizioni recenti della fisica della materia condensata è che le teorie simili alla QED descrivono il comportamento del ghiaccio di spin quantistico, una classe di magneti frazionati. Piuttosto che essere ordinato secondo uno schema semplice, gli spin atomici in questi sistemi fluttuano in schemi intricati fino alle temperature misurabili più basse. La fase risultante è caratterizzata dalla presenza di cariche magnetiche che interagiscono con onde simili alla luce nel background di spin.
Ricercatori dell'Università di Boston, Il Massachusetts Institute of Technology (MIT) e il Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme hanno recentemente condotto uno studio sulla costante di struttura fine che emerge nella QED del ghiaccio con spin quantistico. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , mostra che nel ghiaccio di spin quantistico, questa costante fondamentale è grande, il che significa che questi sistemi magnetici potrebbero essere ideali per studiare i fenomeni fisici derivanti da forti interazioni di particelle.
"Stavamo pensando a possibili firme del QED emergente nel ghiaccio di spin quantistico e abbiamo scoperto che le firme più distintive riguardavano gli effetti delle interazioni tra le cariche emergenti e i fotoni, "Christopher R. Laumann e Siddhardh C. Morampudi, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Ci siamo poi resi conto che il numero adimensionale di base (la costante di struttura fine emergente) che caratterizza la forza di questa interazione non era ancora stato determinato in nessun lavoro precedente, e i lavori precedenti si erano concentrati solo sulla caratterizzazione della velocità emergente della luce".
Laummann, Morampudi e i loro colleghi hanno deciso di studiare la costante di struttura fine del ghiaccio quantistico di spin, poiché credevano che ciò avrebbe offerto una caratterizzazione più completa del loro QED. L'osservazione di un valore α relativamente grande è stata per loro una piacevole sorpresa, in quanto tale valore rafforzerebbe le firme mediate dall'interazione dell'emergente QED.
"Utilizzando la diagonalizzazione esatta su larga scala per ottenere il costo energetico di un tubo di flusso elettrico, siamo stati in grado di estrarre la carica elettrica, Laumann e Morampudi hanno detto. "Questo ci ha poi permesso di passare dal modello reticolare al QED emergente a lunghezza d'onda lunga in sistemi di dimensioni finite accessibili dal punto di vista computazionale".
Le simulazioni numeriche effettuate da Laumann, Morampudi e i loro colleghi sono i primi a calcolare la costante di struttura fine in una QED emergente, in particolare quello realizzato in ghiaccio di spin quantistico. Il team ha mostrato che nel sistema che hanno simulato, la costante α è tipicamente un ordine di grandezza più grande della costante di struttura fine del solito QED. Inoltre, hanno dimostrato che nel ghiaccio con spin quantistico la costante può essere sintonizzata da zero all'accoppiamento più forte con cui QED confina.
"La costante di struttura fine della normale QED è piccola e fissa come previsto dalla natura, " Hanno detto Laumann e Morampudi. "Avere un QED emergente con una costante di struttura fine grande e anche sintonizzabile fornisce un bel parco giochi per comprendere i processi nella QED che sono pesantemente soppressi a causa del piccolo accoppiamento".
Uno dei principali strumenti teorici per studiare le teorie quantistiche dei campi è la teoria delle perturbazioni. Negli ultimi decenni, però, molti ricercatori hanno iniziato a esplorare cosa succede alle teorie di campo a forte accoppiamento, nei casi in cui la teoria delle perturbazioni non è un costrutto particolarmente utile.
"Ciò ha portato a un'ampia varietà di strumenti non perturbativi la cui efficacia può essere testata se disponiamo di un parco giochi sperimentale per QED ad accoppiamento forte nel ghiaccio quantistico, " Hanno detto Laumann e Morampudi. "Il nostro lavoro identifica anche il ghiaccio con spin quantistico come un ottimo obiettivo per i simulatori quantistici in rapida evoluzione, con la promessa di scoprire un'interessante fisica del QED ad accoppiamento forte come ricompensa."
Negli ultimi anni, un numero crescente di fisici ha iniziato a condurre studi che indagano sui candidati di ghiaccio spin quantistico, particolarmente i piroclori di terre rare. Alcuni dei candidati identificati in questi studi potrebbero mostrare interazioni aggiuntive che fanno sì che i sistemi diventino ordinati, piuttosto che rimanere in una fase liquida di spin quantistico. La grande costante di struttura fine calcolata da Laumann, Morampudi e i loro colleghi implicano la presenza di significativi effetti mediati dall'interazione, come un grande miglioramento della sezione trasversale anelastica dello scattering di neutroni vicino alla soglia.
"Ci sono stati accenni allettanti della fisica giusta in alcuni dei materiali, ma il disordine e le piccole scale di energia (ad esempio limitando la risoluzione sperimentale nello scattering di neutroni) sono stati finora fattori limitanti, " Dissero Laumann e Morampudi. "Nei nostri prossimi studi, abbiamo in programma di esplorare più implicazioni della grande costante di struttura fine in potenziali realizzazioni di ghiaccio quantistico di spin, e spingere verso simulazioni di essi in computer quantistici a breve termine. La nostra speranza è di capire meglio come le domande aperte nella QED ad accoppiamento forte potrebbero potenzialmente essere risolte in tali contesti".
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