I fisici giapponesi e statunitensi hanno utilizzato atomi circa 3 miliardi di volte più freddi dello spazio interstellare per aprire un portale verso un regno inesplorato del magnetismo quantistico.

"A meno che una civiltà aliena non stia facendo esperimenti come questi in questo momento, ogni volta che questo esperimento è in corso all'Università di Kyoto produce i fermioni più freddi dell'universo", ha affermato Kaden Hazzard della Rice University, autore della teoria corrispondente di uno studio pubblicato oggi su Fisica della natura . "I fermioni non sono particelle rare. Includono cose come gli elettroni e sono uno dei due tipi di particelle di cui è composta tutta la materia."

Un team di Kyoto guidato dall'autore dello studio Yoshiro Takahashi ha utilizzato i laser per raffreddare i suoi fermioni, atomi di itterbio, entro circa un miliardesimo di grado dallo zero assoluto, la temperatura irraggiungibile in cui tutto il movimento si interrompe. È circa 3 miliardi di volte più freddo dello spazio interstellare, che è ancora riscaldato dal bagliore residuo del Big Bang.

"Il vantaggio di avere questo freddo è che la fisica cambia davvero", ha detto Hazzard. "La fisica inizia a diventare più meccanica quantistica e ti consente di vedere nuovi fenomeni."

Gli atomi sono soggetti alle leggi della dinamica quantistica proprio come gli elettroni ei fotoni, ma i loro comportamenti quantistici diventano evidenti solo quando vengono raffreddati entro una frazione di grado dello zero assoluto. I fisici hanno utilizzato il raffreddamento laser per studiare le proprietà quantistiche degli atomi ultrafreddi per più di un quarto di secolo. I laser vengono utilizzati sia per raffreddare gli atomi che per limitarne i movimenti a reticoli ottici, canali di luce 1D, 2D o 3D che possono fungere da simulatori quantistici in grado di risolvere problemi complessi al di fuori della portata dei computer convenzionali.

Il laboratorio di Takahashi ha utilizzato reticoli ottici per simulare un modello di Hubbard, un modello quantistico spesso utilizzato creato nel 1963 dal fisico teorico John Hubbard. I fisici utilizzano i modelli di Hubbard per studiare il comportamento magnetico e superconduttore dei materiali, in particolare quelli in cui le interazioni tra elettroni producono un comportamento collettivo, un po' come le interazioni collettive degli appassionati di sport che fanno "l'onda" in stadi affollati.

"Il termometro che usano a Kyoto è una delle cose importanti fornite dalla nostra teoria", ha affermato Hazzard, professore associato di fisica e astronomia e membro della Rice Quantum Initiative. "Confrontando le loro misurazioni con i nostri calcoli, possiamo determinare la temperatura. La temperatura da record si ottiene grazie a una nuova fisica divertente che ha a che fare con l'altissima simmetria del sistema."

Il modello di Hubbard simulato a Kyoto ha una simmetria speciale nota come SU(N), dove SU sta per gruppo unitario speciale, un modo matematico di descrivere la simmetria, e N denota i possibili stati di spin delle particelle nel modello. Maggiore è il valore di N, maggiore è la simmetria del modello e la complessità dei comportamenti magnetici che descrive. Gli atomi di itterbio hanno sei possibili stati di spin e il simulatore di Kyoto è il primo a rivelare correlazioni magnetiche in un modello SU(6) di Hubbard, impossibili da calcolare su un computer.

"Questa è la vera ragione per fare questo esperimento", ha detto Hazzard. "Perché non vediamo l'ora di conoscere la fisica di questo modello SU(N) di Hubbard."

Il coautore dello studio Eduardo Ibarra-García-Padilla, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Hazzard, ha affermato che il modello Hubbard mira a catturare gli ingredienti minimi per capire perché i materiali solidi diventano metalli, isolanti, magneti o superconduttori.

"Una delle domande affascinanti che gli esperimenti possono esplorare è il ruolo della simmetria", ha detto Ibarra-García-Padilla. "Avere la capacità di ingegnerizzarlo in un laboratorio è straordinario. Se riusciamo a capirlo, potrebbe guidarci a realizzare materiali reali con proprietà nuove e desiderate."

Il team di Takahashi ha dimostrato che può intrappolare fino a 300.000 atomi nel suo reticolo 3D. Hazzard ha affermato che il calcolo accurato del comportamento anche di una dozzina di particelle in un modello SU(6) di Hubbard è fuori dalla portata dei supercomputer più potenti. Gli esperimenti di Kyoto offrono ai fisici la possibilità di imparare come funzionano questi complessi sistemi quantistici osservandoli in azione.

I risultati sono un passo importante in questa direzione e includono le prime osservazioni sulla coordinazione delle particelle in un modello SU(6) di Hubbard, ha affermato Hazzard.

"In questo momento questa coordinazione è a corto raggio, ma quando le particelle vengono ulteriormente raffreddate, possono apparire fasi della materia più sottili ed esotiche", ha detto. "Una delle cose interessanti di alcune di queste fasi esotiche è che non sono ordinate secondo uno schema ovvio, e inoltre non sono casuali. Ci sono correlazioni, ma se guardi due atomi e chiedi:'Sono correlati?' non li vedrai. Sono molto più sottili. Non puoi guardare due o tre o anche 100 atomi. Devi guardare l'intero sistema."

I fisici non dispongono ancora di strumenti in grado di misurare tale comportamento nell'esperimento di Kyoto. Ma Hazzard ha affermato che il lavoro è già in corso per creare gli strumenti e il successo del team di Kyoto stimolerà questi sforzi.

"Questi sistemi sono piuttosto esotici e speciali, ma la speranza è che studiandoli e comprendendoli, possiamo identificare gli ingredienti chiave che devono essere presenti nei materiali reali", ha affermato. + Esplora ulteriormente

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