In alcuni materiali ci sono fasi tra le quali non è possibile una transizione perché protette da una certa forma di simmetria. I fisici si riferiscono a queste come fasi topologiche. Un esempio di ciò è la fase di Haldane, dal nome del vincitore del Premio Nobel 2016 per la fisica Duncan Haldane, che si verifica in catene di spin-1 antiferromagnetiche. Un team di ricercatori dell'MPQ è ora riuscito a realizzare questo stato esotico della materia in un semplice sistema di atomi ultrafreddi. Usando un microscopio a gas quantistico, hanno portato gli spin atomici nella forma desiderata, hanno misurato le proprietà del sistema e hanno così trovato l'ordine interno nascosto tipico della fase Haldane. I loro risultati sono pubblicati su Natura .

Qualsiasi materia avviene in fasi diverse, che possono fondersi l'una nell'altra. Un esempio di questo è l'acqua, che esiste in forma liquida, come ghiaccio o vapore, a seconda delle condizioni esterne. Le diverse fasi fisiche hanno la stessa composizione chimica, ma un diverso grado di ordine interno. Se la temperatura o la pressione cambiano, ad esempio, l'acqua cambia in una fase diversa ad un certo punto. Tuttavia, in alcuni materiali ci sono fasi tra le quali non è possibile una transizione perché sono protette da una certa forma di simmetria, una proprietà del sistema che quindi rimane invariata, ad esempio, durante una riflessione o una rotazione. Solo rompendo la simmetria è possibile una transizione di fase. I fisici chiamano queste fasi topologiche, la cui indagine negli ultimi anni ha portato a una comprensione più profonda della struttura dei sistemi quantistici.

Misurazione della fase Haldane

Ad oggi, tali proprietà sono state accessibili quasi solo in modelli teorici e calcoli o attraverso misurazioni indirette sui solidi. Ma ora un team di ricercatori del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) di Garching è riuscito a generare un tipo speciale ed esemplare di fase topologica in laboratorio e ad analizzarlo sperimentalmente. Gli scienziati del dipartimento MPQ di sistemi quantistici a molti corpi, guidati dal prof. Dr. Immanuel Bloch e dal dott. Timon Hilker, hanno creato una cosiddetta fase di Haldane. Prende il nome dal fisico britannico Duncan Haldane, che per la prima volta descrisse le fasi topologiche dei sistemi quantistici e per questo ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 2016 insieme ad altri due ricercatori.

Haldane ha concentrato la sua attenzione, tra le altre cose, sulla possibile esistenza di una fase topologica in una catena di particelle antiferromagnetiche spin-1. Uno spin è una proprietà quantomeccanica di una particella come elettroni o atomi, che può essere interpretata in modo semplice come il momento angolare della particella quando ruota attorno al proprio asse. In un materiale antiferromagnetico, gli spin preferiscono che altri spin abbiano un diverso senso di rotazione nelle loro immediate vicinanze.

Ciò può portare a un ordinamento periodico degli spin, che, tuttavia, è invisibile nei sistemi di spin-1 nelle misurazioni classiche. La previsione teorica diceva che tuttavia c'è un ordine, ma che è "nascosto". Per rilevarlo, tutti gli spin dovrebbero essere misurati individualmente e simultaneamente, cosa che non è possibile nei solidi. Ma i ricercatori dell'MPQ hanno utilizzato materiali artificiali in cui gli spin sono molto più distanti. Lì, hanno prodotto una catena spin-1 con le caratteristiche descritte da Haldane.

Il trucco con le coppie di spin

"Finora era difficile da realizzare", dice Sarah Hirthe. Ecco perché il dottorato di ricerca candidata all'MPQ, insieme al collega Dominik Bourgund e ad altri membri del team di Garching, hanno fatto ricorso a un trucco:"Abbiamo creato una catena spin-1 in modo indiretto costruendola da spin con valore ½, di cui abbiamo ne ha aggiunti due ciascuno", spiega Bourgund. In questo modo sono state create celle con spin intero allineate in una catena.

Per realizzare questa struttura speciale, il team ha utilizzato un cosiddetto microscopio a gas quantistico. Un tale dispositivo può essere utilizzato, ad esempio, per studiare le proprietà magnetiche di singoli atomi che sono stati precedentemente disposti in un certo modo. Gli scienziati parlano quindi anche di un simulatore quantistico, con il quale la materia viene costruita artificialmente a partire dai suoi elementi costitutivi elementari. "Per fare ciò, utilizziamo onde stazionarie di luce laser che formano una specie di reticolo per gli atomi", spiega Sarah Hirthe. Questo reticolo viene quindi modellato nella forma desiderata con l'aiuto di ulteriori laser e innumerevoli piccoli specchi mobili.

"Per gli esperimenti sulla fase topologica di Haldane, abbiamo posizionato gli atomi in un tale reticolo ottico bidimensionale", riferisce il fisico. "Nel vuoto e a una temperatura prossima allo zero assoluto, gli atomi si sono quindi disposti esattamente nel modo dettato dalla luce". I ricercatori hanno scelto una struttura reticolare che dava agli atomi, insieme ai loro giri, la forma di una scala, con due "gambe" e "pioli" in mezzo. "I pioli di queste cosiddette scale di Fermi-Hubbard collegavano ciascuno due spin atomici per formare celle unitarie con spin 1", spiega Dominik Bourgund. "In questa disposizione, stavamo usando un concetto noto in fisica teorica come modello AKLT."

Una scala atomica con giri di bordo "pendenti"

"Il clou dell'esperimento è stato che abbiamo adattato in modo speciale i bordi del sistema", afferma Hirthe:le due gambe della scala quantistica erano sfalsate l'una dall'altra di un atomo. In questo modo, gli spin semi-interi degli atomi potrebbero essere combinati in un offset diagonale per formare celle unitarie. La conseguenza di questa forma:giri individuali senza un partner diretto "penzolano" su entrambe le estremità del sistema, chiamati stati di bordo in gergo tecnico. "Tali spin e i loro momenti magnetici possono assumere orientamenti diversi senza alcun apporto di energia aggiuntivo", spiega Dominik Bourgund. In questo modo, conferiscono al sistema proprietà caratteristiche basate sulla speciale simmetria, i tratti distintivi tipici della fase di Haldane. Per fare un confronto, i ricercatori di Max Planck hanno anche creato una fase topologica "banale" senza stati di bordo.

Per analizzare le caratteristiche delle due fasi, gli scienziati hanno misurato la magnetizzazione di entrambi i singoli spin e dell'intero sistema di tutti gli atomi lungo una stringa mentale al microscopio a gas quantistico. Solo in questo modo è stato possibile trovare l'ordine interno "nascosto" previsto. "I nostri risultati confermano le proprietà topologiche previste sia del sistema complessivo che degli stati marginali", osserva Timon Hilker, che guida il progetto. "Questo mostra:abbiamo reso la struttura complessa accessibile per le misurazioni attraverso un sistema semplice."

Una solida base per l'informatica quantistica?

Con i loro risultati, i ricercatori di Max Planck non hanno solo gettato le basi per la verifica sperimentale delle previsioni teoriche sulle fasi topologiche. Le loro nuove scoperte potrebbero anche trovare applicazione pratica in futuro, nei computer quantistici. La loro funzione si basa sui "qubit", unità di calcolo fondamentali sotto forma di stati quantistici. La lacuna nella realizzazione tecnica finora è la loro bassa stabilità:se i qubit perdono il loro valore, anche i dati sono persi. Se potessero essere rappresentate da fasi topologiche, che sono abbastanza robuste contro le interferenze esterne a causa della loro stretta connessione con una simmetria fondamentale, ciò potrebbe semplificare notevolmente il calcolo con un computer quantistico. + Esplora ulteriormente

Magneti quantistici in movimento