La nostra moderna comprensione del mondo fisico si basa su teorie di gauge:modelli matematici della fisica teorica che descrivono le interazioni tra particelle elementari (come elettroni o quark) e spiegano meccanicamente tre delle forze fondamentali della natura:elettromagnetica, debole e forze forti. La quarta forza fondamentale, la gravità, è descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein, che, pur non essendo ancora compresa nel regime quantistico, è anche una teoria di gauge. Le teorie di gauge possono anche essere utilizzate per spiegare il comportamento quantistico esotico degli elettroni in determinati materiali o i codici di correzione degli errori di cui i futuri computer quantistici avranno bisogno per funzionare in modo affidabile e sono il cavallo di battaglia della fisica moderna.

Per comprendere meglio queste teorie, una possibilità è realizzarle utilizzando sistemi quantistici artificiali e altamente controllabili. Questa strategia è chiamata simulazione quantistica e costituisce un tipo speciale di calcolo quantistico. Fu proposto per la prima volta dal fisico Richard Feynman negli anni '80, più di quindici anni dopo aver ricevuto il premio Nobel per la fisica per il suo lavoro teorico pionieristico sulle teorie di gauge.

La simulazione quantistica può essere vista come un gioco LEGO quantistico in cui i fisici sperimentali danno realtà a modelli teorici astratti. Li costruiscono in laboratorio "mattone quantistico per mattone quantico", utilizzando sistemi quantistici molto ben controllati come atomi o ioni ultrafreddi. Dopo aver assemblato un prototipo LEGO quantistico per un modello specifico, i ricercatori possono misurarne le proprietà in modo molto preciso in laboratorio e utilizzare i loro risultati per comprendere meglio la teoria che imita. Durante l'ultimo decennio, la simulazione quantistica è stata ampiamente sfruttata per studiare i materiali quantistici. Tuttavia, giocare al gioco LEGO quantistico con le teorie di gauge è fondamentalmente più impegnativo. Finora solo la forza elettromagnetica poteva essere studiata in questo modo.

In un recente studio pubblicato su Natura , i ricercatori sperimentali ICFO Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri e Cesar Cabrera, guidati dal Prof. ICREA presso ICFO Leticia Tarruell, in collaborazione con Alessio Celi, ricercatore teorico del programma Talent presso l'Università Autonoma di Barcellona, sono stati in grado di simulare per la prima volta una teoria di gauge diversa dall'elettromagnetismo, utilizzando atomi ultrafreddi.

Una teoria di gauge per fotoni molto pesanti

Il team si è proposto di realizzare in laboratorio una teoria di gauge appartenente alla classe delle teorie di gauge topologiche, diversa dalla classe delle teorie di gauge dinamiche a cui appartiene l'elettromagnetismo.

Nel linguaggio della teoria di gauge, la forza elettromagnetica tra due elettroni sorge quando si scambiano un fotone:una particella di luce che può propagarsi anche in assenza di materia. Tuttavia, nei materiali quantistici bidimensionali soggetti a campi magnetici molto forti, i fotoni scambiati dagli elettroni si comportano come se fossero estremamente pesanti e possono muoversi solo finché sono attaccati alla materia.

Di conseguenza, gli elettroni hanno proprietà molto peculiari:possono fluire solo attraverso i bordi del materiale, in una direzione determinata dall'orientamento del campo magnetico, e la loro carica diventa apparentemente frazionaria. Questo comportamento è noto come effetto Hall quantistico frazionario ed è descritto dalla teoria di gauge di Chern-Simons (dal nome dei matematici che hanno sviluppato uno dei suoi elementi chiave). Il comportamento degli elettroni ristretti a un solo bordo del materiale dovrebbe essere descritto anche da una teoria di gauge, in questo caso chiamata BF chirale, che è stata proposta negli anni '90 ma non è stata realizzata in laboratorio fino a quando i ricercatori ICFO e UAB non l'hanno tirata fuori del congelatore.

Una nuvola ultrafredda che non si comporta come la sua immagine speculare

Per dare realtà a questa teoria di gauge topologica e simularla nel loro esperimento, il team ha utilizzato una nuvola di atomi raffreddata a temperature di circa un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Come specie atomiche hanno scelto il potassio, perché uno dei suoi isotopi ha due stati che interagiscono con diversi punti di forza e possono essere usati come mattoni quantistici per costruire la teoria di gauge BF chirale. Hanno quindi brillato di luce laser per combinare i due stati in uno nuovo.

Questa tecnica, chiamata "vestire gli atomi di luce", faceva acquisire loro particolari interazioni la cui forza e segno dipendevano dalla velocità della nuvola. Infine, hanno creato una guida d'onda ottica che limitasse il movimento degli atomi a una linea e hanno utilizzato laser aggiuntivi per dare un calcio alla nuvola e farla muovere a velocità diverse lungo di essa.

In condizioni normali, lasciare che gli atomi si evolvano liberamente nella guida d'onda avrebbe comportato l'espansione della nuvola. Tuttavia, con la spia accesa, le immagini degli atomi riprese in laboratorio hanno mostrato un comportamento completamente diverso.

Come spiega Ramon Ramos, "nel nostro sistema, quando gli atomi si spostano a destra, le loro interazioni sono attraenti e annullano il comportamento degli atomi che cercano di espandersi. Quindi, quello che vedi effettivamente è che la forma della nuvola rimane la stessa. In parole tecniche, abbiamo realizzato un solitone. Ma, se gli atomi si spostano a sinistra, questi atomi si espandono come un normale gas".

L'osservazione di atomi che si comportano diversamente quando si muovono in direzioni opposte dimostra che il sistema è chirale, cioè diverso dalla sua immagine speculare. "Quando abbiamo osservato per la prima volta l'effetto delle interazioni chirali nella nostra nuvola atomica, non stavamo cercando di simulare una teoria di gauge. Ma i dati erano così belli e intriganti che sentivamo di aver davvero bisogno di capirne meglio il significato. mi ha fatto cambiare completamente i piani di ricerca del team", afferma Leticia Tarruell.

Il team ha rapidamente capito che le loro osservazioni erano collegate a un articolo teorico pubblicato dieci anni prima, che proponeva di utilizzare una configurazione quasi identica per studiare un tipo modificato di elettromagnetismo. Tuttavia, i risultati dell'esperimento non sembravano mai essere in accordo con le loro aspettative. Come ricorda Craig Chisholm, inizialmente "i risultati che stavamo ottenendo non sembravano affatto in linea con nessuna teoria. La sfida era capire in quale regime ci si doveva trovare per vedere effettivamente l'effetto corretto provenire dal posto giusto e per eliminare l'effetto proveniente dal posto sbagliato".

Per il team sperimentale, anche il significato dell'elettromagnetismo modificato menzionato nell'articolo era molto poco chiaro. Ha citato documenti di fisica matematica degli anni '90, che hanno stabilito la connessione con le teorie di gauge utilizzate per descrivere l'effetto Hall quantistico frazionario. Tuttavia, come dice Tarruell, "per i fisici atomici sperimentali come noi, il contenuto di questi lavori era molto difficile da comprendere, perché erano scritti in un linguaggio di fisica matematica completamente diverso dal nostro. Era davvero frustrante sapere che la risposta alle nostre domande c'era, ma non riuscivamo a capirlo! È stato allora che abbiamo deciso che dovevamo mettere in scena un teorico."

Una collaborazione esperimento-teoria molto fruttuosa

Per il fisico teorico Alessio Celi, che aveva lavorato per molti anni sulla fisica delle alte energie e sulla gravità prima di passare alla simulazione quantistica, leggere i documenti originali della teoria di gauge è stato facile. Allo stesso tempo, poteva comprendere il regime in cui potevano essere eseguiti gli esperimenti e le loro sfide. Si è seduto con il team sperimentale e, dopo diverse discussioni, ha escogitato un modello che potrebbe spiegare correttamente i risultati sperimentali.

Come spiega, "il problema principale che abbiamo avuto è stato quello di entrare nel quadro giusto. Una volta che si sapeva dove cercare, è diventato un problema facile da risolvere". Sorprendentemente, esisteva un regime di parametri in cui questo modello era esattamente la teoria di gauge topologica proposta 30 anni prima per descrivere il comportamento degli elettroni ai bordi dei materiali di Hall quantistici frazionari.

"Penso che questo progetto ci mostri la forza delle collaborazioni interdisciplinari. La combinazione di strumenti sperimentali della fisica delle temperature ultrabasse e strumenti teorici della fisica delle alte energie ha reso tutti noi fisici migliori e ha portato alla prima simulazione quantistica di una teoria di gauge topologica", conclude Tarruell.

Il team è già pronto per esplorare le nuove direzioni di ricerca aperte da questo progetto. Il loro obiettivo ora è cercare di espandere gli esperimenti e la teoria da una linea a un piano, che consentirebbe loro di osservare l'effetto Hall quantistico frazionario senza la necessità di un materiale quantistico. Ciò darebbe accesso a quasi-particelle esotiche, chiamate anyon, che in futuro potrebbero essere utilizzate per forme più robuste di calcolo quantistico. + Esplora ulteriormente

I ricercatori realizzano la prima simulazione quantistica dei barioni