I fisici della UC Santa Barbara, dell'Università del Maryland e dell'Università di Washington hanno trovato una risposta alla domanda di fisica di lunga data:in che modo le interazioni tra le particelle influenzano la localizzazione dinamica?

"È una domanda davvero vecchia ereditata dalla fisica della materia condensata", ha affermato David Weld, un fisico sperimentale dell'UCSB con specialità in fisica atomica ultrafredda e simulazione quantistica. La domanda rientra nella categoria della fisica "a molti corpi", che interroga le proprietà fisiche di un sistema quantistico con più parti interagenti. Sebbene i problemi relativi a molti corpi siano stati oggetto di ricerca e dibattito per decenni, la complessità di questi sistemi, con comportamenti quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement, porta a una moltitudine di possibilità, rendendo impossibile la risoluzione attraverso il solo calcolo. "Molti aspetti del problema sono fuori dalla portata dei computer moderni", ha aggiunto Weld.

Fortunatamente, questo problema non era al di fuori della portata di un esperimento che coinvolge atomi di litio e laser ultrafreddi. Quindi, cosa emerge quando si introduce l'interazione in un sistema quantistico disordinato e caotico? Uno "strano stato quantistico", secondo Weld. "È uno stato anomalo, con proprietà che in un certo senso si trovano tra la previsione classica e la previsione quantistica non interagente."

I risultati dei fisici sono pubblicati sulla rivista Nature Physics .

'Sta succedendo qualcosa di strano'

Quando si tratta di comportamenti strani e controintuitivi, il mondo quantistico non delude. Prendi, ad esempio, un pendolo regolare, che si comporterebbe esattamente come ci aspetteremmo se sottoposto a impulsi di energia.

"Se lo prendi a calci e lo scuoti su e giù di tanto in tanto, un pendolo classico assorbirà continuamente energia, inizierà a oscillare dappertutto ed esplorerà l'intero spazio dei parametri in modo caotico", ha detto Weld.

Nei sistemi quantistici il caos sembra diverso. Invece del movimento, il disordine può portare le particelle a una sorta di arresto. E mentre un pendolo quantistico spinto o "rotore" potrebbe prima assorbire energia dai calci, simile a un pendolo classico, con calci ripetuti, il sistema smette di assorbire energia e la distribuzione della quantità di moto si blocca, in quello che è noto come stato localizzato dinamicamente. Questa localizzazione è strettamente analoga al comportamento di un solido elettronico "sporco", in cui il disordine si traduce in elettroni immobili e localizzati, che fanno sì che il solido passi dall'essere un metallo, o un conduttore (elettroni in movimento), ad essere un isolante.

Mentre questo stato di localizzazione è stato esplorato per decenni nel contesto di singole particelle non interagenti, cosa succede in un sistema disordinato con più elettroni interagenti? Domande come questa e aspetti correlati del caos quantistico erano nelle menti di Weld e del suo coautore, il teorico dell'Università del Maryland Victor Galitski, durante una discussione diversi anni fa quando Galitski era in visita a Santa Barbara.

"Quello che Victor ha sollevato è stata la domanda su cosa succede, se invece di questo puro sistema quantistico non interagente che è stabilizzato dall'interferenza, hai un mucchio di questi rotori e possono tutti scontrarsi e interagire tra loro", ha ricordato Weld. "La localizzazione persiste o viene distrutta dalle interazioni?"

"In effetti, è una questione molto difficile che riguarda i fondamenti della meccanica statistica e la nozione di base di ergodicità, per cui la maggior parte dei sistemi interagenti alla fine si termalizza in uno stato universale", ha affermato Galitski.

Immagina per un momento di versare del latte freddo nel caffè caldo. Le particelle nella tua tazza, nel tempo e attraverso le loro interazioni, si disporranno in uno stato di equilibrio uniforme che non è né caffè puramente caldo né latte freddo. Questo tipo di comportamento, la termalizzazione, era previsto da tutti i sistemi interagenti. Cioè, fino a circa 16 anni fa, quando si riteneva che il disordine in un sistema quantistico provocasse la localizzazione a molti corpi (MBL).

"Questo fenomeno, che è stato riconosciuto dal Premio Lars Onsager all'inizio di quest'anno, è difficile da dimostrare rigorosamente in teoria o da stabilire sperimentalmente", ha affermato Galitski.

Il gruppo di Weld aveva la tecnologia e l'esperienza per far luce sulla situazione, letteralmente. Nel loro laboratorio c'è un gas di 100.000 atomi di litio ultrafreddi sospesi in un'onda di luce stazionaria. Ogni atomo rappresenta un rotore quantistico che può essere azionato da impulsi laser.

"Possiamo usare uno strumento chiamato risonanza di Feshbach per mantenere gli atomi nascosti l'uno dall'altro, oppure possiamo farli rimbalzare l'uno sull'altro con interazioni arbitrariamente forti", ha detto Weld. Con la rotazione di una manopola, i ricercatori potrebbero far passare gli atomi di litio dalla line dance al mosh pit e catturare i loro comportamenti.

Come previsto, quando gli atomi erano invisibili l'uno all'altro, portavano il laser a calci fino a un certo punto, dopodiché smettevano di muoversi nel loro stato dinamicamente localizzato, nonostante i ripetuti calci. Ma quando i ricercatori hanno intensificato l'interazione, non solo lo stato localizzato è diminuito, ma il sistema sembrava assorbire energia dai calci ripetuti, imitando il classico comportamento caotico.

Tuttavia, ha sottolineato Weld, mentre il sistema quantistico disordinato interagente assorbe energia, lo fa a una velocità molto più lenta rispetto a un sistema classico.

"Quello che stiamo vedendo è qualcosa che assorbe energia, ma non così bene come può fare un sistema classico", ha detto. "E sembra che l'energia stia crescendo all'incirca con la radice quadrata del tempo invece che linearmente con il tempo. Quindi le interazioni non lo stanno rendendo classico; è ancora uno strano stato quantistico che mostra una non localizzazione anomala".

Test per il caos

Il team di Weld ha utilizzato una tecnica chiamata "eco" in cui l'evoluzione cinetica viene eseguita in avanti e poi all'indietro per misurare direttamente il modo in cui le interazioni distruggono la reversibilità temporale. Questa distruzione della reversibilità temporale è un segno chiave del caos quantistico.

"Un altro modo per pensare a questo è chiedersi:quanta memoria dello stato iniziale ha il sistema dopo un po' di tempo?" ha detto il coautore Roshan Sajjad, uno studente laureato ricercatore nel team del litio. In assenza di perturbazioni come collisioni di luce parassita o gas, ha spiegato, il sistema dovrebbe essere in grado di tornare al suo stato iniziale se la fisica viene eseguita all'indietro. "Nel nostro esperimento, invertiamo il tempo invertendo la fase dei calci, 'annullando' gli effetti del primo normale set di calci", ha detto. "Parte del nostro fascino era che teorie diverse avevano previsto comportamenti diversi sull'esito di questo tipo di configurazione interagente, ma nessuno aveva mai fatto l'esperimento."

"L'idea approssimativa del caos è che, anche se le leggi del moto sono reversibili nel tempo, un sistema di molte particelle può essere così complicato e sensibile alle perturbazioni che è praticamente impossibile tornare al suo stato iniziale", ha affermato l'autore principale Alec Cao. La svolta è stata che in uno stato effettivamente disordinato (localizzato), le interazioni hanno in qualche modo interrotto la localizzazione, anche se il sistema ha perso la sua capacità di essere invertito nel tempo, ha spiegato

"Ingenuamente, ti aspetteresti che le interazioni rovinino l'inversione del tempo, ma abbiamo visto qualcosa di più interessante:un po' di interazione aiuta davvero", ha aggiunto Sajjad. "Questo è stato uno dei risultati più sorprendenti di questo lavoro."

Weld e Galitski non furono gli unici a testimoniare questo stato quantico confuso. Il fisico dell'Università di Washington Subhadeep Gupta e il suo team hanno condotto un esperimento complementare allo stesso tempo, producendo risultati simili utilizzando atomi più pesanti in un contesto unidimensionale. Questo risultato è pubblicato insieme a quelli della UC Santa Barbara e della University of Maryland in Nature Physics .

"Gli esperimenti all'UW hanno funzionato in un regime fisico molto difficile con atomi 25 volte più pesanti limitati a muoversi in una sola dimensione, ma hanno anche misurato una crescita di energia più debole del lineare da calci periodici, facendo luce su un'area in cui i risultati teorici hanno stato in conflitto", ha affermato Gupta, il cui gruppo ha collaborato con il teorico Chuanwei Zhang e il suo team presso l'Università del Texas a Dallas.

Questi risultati, come molti importanti risultati della fisica, aprono più domande e aprono la strada a più esperimenti sul caos quantistico, in cui l'ambito legame tra la fisica classica e quella quantistica potrebbe essere scoperto.

"L'esperimento di David è il primo tentativo di sondare una versione dinamica di MBL in un ambiente di laboratorio più controllato", ha commentato Galitski. "Sebbene non abbia risolto in modo inequivocabile la questione fondamentale in un modo o nell'altro, i dati mostrano che sta succedendo qualcosa di strano."

"Come possiamo comprendere questi risultati nel contesto del vasto corpus di lavori sulla localizzazione di molti corpi nei sistemi di materia condensata?" ha chiesto la saldatura. "Come possiamo caratterizzare questo stato della materia? Osserviamo che il sistema si sta delocalizzando, ma non con la dipendenza temporale lineare prevista; cosa sta succedendo lì? Non vediamo l'ora di futuri esperimenti che esplorino queste e altre domande". + Esplora ulteriormente

I fisici riferiscono sull'effetto del "boomerang quantico" nei sistemi disordinati